一种反应烧结用多孔碳预制体及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种反应烧结用多孔碳预制体及其制备方法与应用。该多孔碳预制体是以木炭粉为碳源，木质纤维素为造孔剂，改性聚酯类高分子化合物为分散剂，莰烯为分散介质，添加一定量的乙醚，在55℃恒温球磨得到料浆，经真空除气后，料浆在室温下浇注成型并升华至恒重后在900-1550℃下素烧0.5-2小时得到。用本发明专利技术方法制备的多孔碳预制体具有密度、孔隙率可控、孔隙结构均匀无缺陷等优点，且具有很好的反应烧结性能，经高温渗硅反应生成的反应烧结碳化硅无黑心、开裂和分层等缺陷，力学性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种反应烧结用多孔碳预制体及其制备方法与应用
本专利技术涉及多孔碳预制体及其制备方法，特别是涉及一种反应烧结用多孔碳预制体及其制备方法与其在制备碳化硅中的应用。
技术介绍
通过熔融硅浸渗多孔碳预制体以制备反应烧结碳化硅是一种极具竞争力的技术，具有残余硅少、抗弯强度高、低成本等优势。但在渗硅过程中，多孔碳预制体(porous carbon preform)中的碳和熔融娃的反应非常剧烈，多孔碳预制体在渗硅反应过程中出现剧烈的体积膨胀效应，容易导致反应烧结碳化硅出现黑心、开裂和分层等缺陷，因此，多孔碳预制体的制备至关重要，需要使多孔碳预制体密度控制在0.963g/cm3以内，孔隙率在38 %以上，并且孔径分布均匀，从而避免上述缺陷(Behrendt DRj Singh M.Effect of carbon preform pore volume and infiltrants onthe composition of reaction-formed silicon carbon materials.J Mater SynthProcess1994，2(2):117 - 123.Yanxiang Wang, Shouhong Tan, Dongliang Jiang.Theeffect of porous carbon preform and the infiltration process on the propertiesof reaction-formed SiC[J].Carbon，2004，42:1833-1839.)目前，制备多孔碳预制体的方法主要有Hucke专利技术的化学合成相分离热解法(Hucke, Hucke E E.Methods of producing carbonaceous bodies and the productsthere of.U.S.Pat.N0.3859421，Jan.7，1975.)，该方法能够精确控制多孔碳预制体的密度和孔隙结构，因而能够获得结构均一的多孔碳预制体，制备的多孔碳预制体经过高温渗硅反应后，反应生成的碳化硅三点抗弯强度可达800MPa，但该方法涉及复杂的物理化学过程，制备参数不易控制，制备成本较高，未能实现工业化生产。 木材热解构架法是一种传统的制备多孔碳预制体的方法，该方法能精确复制木材的天然结构，制备出具有生物形态的多孔碳预制体，同时不涉及复杂的物理化学反应，制备成本也较Hucke专利技术的化学合成相分离热解法低，但木材在热解过程中，由于材质密度不均匀以及烧失而产生的变形和裂纹，极大地影响了多孔碳预制体的质量。中国专利申请00114425.1“纯碳粉水基分散一步法制造反应烧结碳化硅陶瓷材料的方法”中采用工业碳素、石墨粉为碳源，水为分散介质，添加分散剂、粘结剂、塑化剂、消泡剂等，经过球磨后制备出碳泥浆，泥浆经过注浆、挤塑等湿法成型工艺制备出坯体，坯体经过干燥后经过高温渗硅反应，制备出三点抗弯强度达400MPa、密度为3.0g/cm3的反应烧结碳化硅制品，该方法制备工艺简单可行，制备成本较低，易于实现工业化生产，但在成型、干燥和反应烧结过程中，由于存在应力、分层、干燥速率过快以及有机添加剂的热解，容易在坯体中引入裂纹、分层等缺陷，且坯体中孔隙结构不易控制。室温冷凝浇注成型工艺是一种新颖的多孔陶瓷材料的制备工艺，目前在多孔氧化铝、多孔氧化锆等领域获得了广泛的研究。中国专利申请200410073896.2“一种制备含碳陶瓷素坯的方法”中叙述了室温冷凝浇注成型陶瓷素坯的方法，在碳源(炭黑、石墨或石油焦)中加入钛基偶联剂混合，在陶瓷粉料(碳化硅或氧化铝)中加入硅烷偶联剂混合，再加入到30-85°C液体悬浮介质(莰烯、樟脑)中，混合均匀后注入模具，凝固后经脱模和升华步骤得到含碳陶瓷坯坯体。该技术采用木炭粉作为碳源，莰烯为分散介质，添加一定量的分散剂，实践了该专利技术中介绍的室温冷凝浇注成型方法，可制备出多孔碳预制体，然而，预制体经高温渗硅反应后，得到的反应烧结碳化硅存在黑心、开裂和分层等致命缺陷，难以满足实际使用要求。可见单纯采用该成型方法不能制备出适合反应烧结的多孔碳预制体，有必要改变制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种孔隙结构均匀，密度、孔隙率可控的反应烧结用多孔碳预制体，该多孔碳预制体经过高温渗硅反应可进一步制备出性能优良的碳化硅制品。本专利技术所提供的反应烧结用多孔碳预制体，是以木炭粉为碳源，木质纤维素为造孔剂，改性聚酯类高分子化合物为分散剂，莰烯为分散介质，添加一定量的乙醚，在50-60°C(优选为55°C)下恒温球磨得到料浆，经真空除气，料浆在室温下浇注成型并升华至恒重后素烧得到。所述多孔碳预制体密度为0.63-0.76g/cm3,孔隙率为63.8-70.0%,且孔隙结构均匀，不规则小孔均匀分布，孔径均小于10 Pm。其中:所述木炭粉的中位径D5tl (平均粒径)为3.0-5.5um (或3.2-5.5 u m)，添加量为料浆总体积的30-46vol %。所述乙醚纯度为95%以上，添加量为莰烯质量的0.5-2.0wt%。所述莰烯添加量为料浆总体积54_70vol%.所述木质纤维素的中位径D5tl (平均粒径)为12.0-24.0 ii m (或12.1-23.6 y m)，用量为木炭粉质量的10-20被％ ;所述改性聚酯类分散剂为CH-5、CH-6或CH_3(上海三正高分子材料有限公司提供的CH系列超`分散剂)，用量为木炭粉质量的2-4wt%。本专利技术另一目的在于提供一种制备所述多孔碳预制体的方法。本专利技术制备多孔碳预制体的方法，将木炭粉、木质纤维素、分散剂、莰烯和乙醚混合，在50-60°C (优选为55°C )下恒温球磨得到料浆，经真空除气后，料浆在室温下浇注成型并升华至恒重后，在900-1550°C下素烧0.5-2小时，得到多孔碳预制体。所述制备方法包括以下步骤:I)料浆的制备:将木炭粉、木质纤维素、分散剂、莰烯、乙醚和球磨介质氧化锆球加入球磨罐，在55°C恒温球磨10-24小时(优选为16小时)，得到稳定、流动性好的料衆，料浆经过55°C恒温真空除气，得到可用于浇注成型的料浆；2)成型和升华:料浆在室温下浇注成型，成型后坯体置于海绵垫上，在大气环境中升华至恒重，得到素坯；3)素烧:素坯在900-1550°C下保温0.5-2小时(优选为0.5-1小时)，得多孔碳预制体。本专利技术还一目的在于提供一种经过高温渗硅反应生成碳化硅的方法。该方法是将硅粉平铺在所述多孔碳预制体的表面，加硅量为多孔碳预制体质量的3.2-4.0倍，渗硅过程在真空反应烧结炉中进行，反应烧结温度1450-1600°C (优选为1550°C)，保温0.5-2小时，保温过程中保持真空状态，得到碳化硅。该方法制备得到的反应烧结碳化硅也属于本专利技术。所述反应烧结碳化硅的密度为2.74-2.97g/cm3，样品平均三点抗弯强度可达328.0-449.6MPa，韦氏硬度可达18.21-28.79GPa，韦伯模数可达5.19-14.52，且反应烧结碳化硅中无裂纹、黑心和分层。采用以上方案，本专利技术制备出性能优良的多孔碳预制体，再经过高温渗硅反应进一步制备出性能优良(无黑心、开裂和分层等缺陷)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反应烧结用多孔碳预制体，其特征在于：是以木炭粉为碳源，木质纤维素为造孔剂，改性聚酯类高分子化合物为分散剂，莰烯为分散介质，添加一定量的乙醚，在50?60℃（优选为55℃）下恒温球磨得到料浆，经真空除气，料浆在室温下浇注成型并升华至恒重后素烧得到。

【技术特征摘要】
1.一种反应烧结用多孔碳预制体，其特征在于:是以木炭粉为碳源，木质纤维素为造孔剂，改性聚酯类高分子化合物为分散剂，莰烯为分散介质，添加一定量的乙醚，在50-60°C(优选为55°C)下恒温球磨得到料浆，经真空除气，料浆在室温下浇注成型并升华至恒重后素烧得到。2.根据权利要求1所述反应烧结用多孔碳预制体，其特征在于:所述多孔碳预制体密度为0.63-0.76g/cm3，孔隙率为63.8-70.0%，且孔隙结构均匀，不规则小孔均匀分布，孔径均小于10 u m。3.根据权利要求1或2所述反应烧结用多孔碳预制体，其特征在于:所述木炭粉的中位径D5tl (平均粒径)为3.0-5.5 um,添加量为料浆总体积的30_46vol %。4.根据权利要求1或2或3所述反应烧结用多孔碳预制体，其特征在于:所述乙醚纯度为95%以上，添加量为莰烯质量的0.5-2.0wt %，优选0.5wt%。5.根据权利要求1或2或3或4所述反应烧结用多孔碳预制体，其特征在于:所述莰烯添加量为料浆总体积54-70vol%。6.根据权利要求1或2或3或4或5所述反应烧结用多孔碳预制体，其特征在于:所述木质纤维素的中位径Dki (平均粒径)为12.0-24.0 u m，用量为木炭粉质量的10_20wt% ；所述改性聚酯类高分子化合物为CH-5、CH-6或CH-3 (上海三正高分子材料有限公司提供的CH系列超分散剂)，用量为木炭粉质量的2-4wt%。7.一种制备权利要求1至6任一所述多孔碳预制体的方法，将木炭粉、...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡传奇，霍艳丽，王华，梁海龙，刘海林，唐婕，陈玉峰，
申请(专利权)人：中国建筑材料科学研究总院，
类型：发明
国别省市：