反應燒結(jié)及微氧化處理制備多孔碳化硅陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)陶瓷制造，特別涉及一種多孔碳化物陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔SiC具有高溫強度高、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好，高的抗熱震性以及低的熱導率、熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，因而被廣泛的應用于航空航天、冶金、核能、空間科學、環(huán)境等領(lǐng)域。
[0003]目前制備多孔SiC陶瓷的方法千羅萬象，具體有消失模法、氧化物連接法、形狀記憶法、包覆法以及多道次擠壓法等，不同方法制備得到的材料的性能各異。文獻“Journalof European ceramics society，2014，34，837-840” 報道了以 C 粉、Si3N4為原始材料，Y2O3和Al 203為添加劑，在1900°C真空條件下，得到了致密的SiC/C復合材料，在600°C脫碳5小時可得到蜂窩狀、孔徑分布較窄(平均孔徑為2.Ιμπι)的多孔碳化硅陶瓷。但該工藝較復雜，生產(chǎn)效率低不適宜大規(guī)模生產(chǎn)而且該方法得到的多孔碳化硅純度不高。文獻“Journal of Ceramic Internat1nal，2010，37，3281-3281” 報道了一種多孔碳化娃制備方法，首先采用不同地方的木材在低溫下干燥，惰性氣氛下碳化處理得到預制體，然后將硅粉和二氧化硅粉末與預制體與氧化鋁坩禍置于真空反應燒結(jié)爐中，使硅和二氧化硅反應制備出保留了天然木材的多孔碳化硅材料。該方法原料來源廣泛，經(jīng)濟性好，但是這種方法得到的多孔碳化硅材料的孔徑尺寸以及孔徑分布受原始材料結(jié)構(gòu)和性能的控制。中國專利201110149191.4公開了 “一種制備高強度多孔碳化硅陶瓷的方法”，采用包混工藝制備了硅-樹脂核殼結(jié)構(gòu)的先驅(qū)體粉，然后成型、碳化，高溫燒結(jié)得到平均孔徑為100?300 μπι，孔隙率為80%左右，強度為10?30MPa的多孔碳化硅陶瓷，但是該方法工藝復雜，燒結(jié)溫度過高。中國專利201110375104.7公開了一種“高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法”，采用a -SiC, β -SiC為原料，聚硅碳烷為造孔劑，兩步燒結(jié)法得到高強度、中孔隙率的多孔碳化硅陶瓷。該方法是一種用于汽車尾氣凈化、高溫過濾熱交換等用途的多孔碳化硅的制備方法，但是其工藝也復雜，生產(chǎn)效率低，燒結(jié)溫度過高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。截止目前為止，國內(nèi)外尚未有報道采用反應燒結(jié)結(jié)合微氧化處理制備高強度多孔碳化硅的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、生產(chǎn)效率高的多孔碳化硅陶瓷制備方法，所制備的材料兼具強度高，熱導率高，孔隙率適中的性能。
[0005]為達到以上目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0006]—種反應燒結(jié)及微氧化處理制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0007](I)按摩爾比，硅粉:中間相碳微球=(0.6?I):1的比例稱量配料:將稱量好的硅粉和中間相碳微球粉料進行濕磨處理，得到混合粉體；
[0008](2)將混合粉體模壓成形為生坯；
[0009](3)將生坯體置于氣氛燒結(jié)爐中，在流動Ar氣保護下，以100?300°C /h的升溫速率升溫到1000?1200 0C ；
[0010](4)進行微氧化處理:給爐腔內(nèi)通入少量的空氣，使爐內(nèi)真空表壓處于微正壓O?0.02MPa，快速升溫到1400?1550°C，保溫O?2h ;
[0011](5)燒結(jié)體隨爐冷卻后得到多孔碳化硅陶瓷。
[0012]上述工藝中，所述硅粉的純度為99.9%，粒度1-10 μπι，所述中間相碳微球的粒徑為 5-20 μπι。
[0013]所述濕磨處理是指，將兩種粉料與無水乙醇按體積比1: (1.5?3)進行球磨12?24h，在60?100°C下干燥18?24小時，過200目篩網(wǎng)。
[0014]所述模壓成型是在50?200MPa壓力下將混合粉體裝填模具后干壓成型。
[0015]所述快速升溫是指300°C /h以上的升溫速率。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0017]1、碳微球采用的碳源為中間相碳微球，其優(yōu)勢在于，中間相碳微球表面存在大量的含氧官能團和β樹脂，因而具備高的反應活性和自燒結(jié)性能，在不添加任何燒結(jié)的條件下，娃粉與中間相碳微球原位反應生成碳化娃，同時中間相碳微球表面的低分子物質(zhì)揮發(fā)，形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)孔洞，從而實現(xiàn)多孔碳化硅的燒結(jié)。這是有別于其他采用燒結(jié)助劑和成孔劑進行燒結(jié)的方法。
[0018]2、在高溫下，采用了微氧化處理，原位生成了大量的直徑為20?30nm的納米碳化硅晶須，晶須具有增強增韌效果，同時在高溫下，少量的碳化硅轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)的二氧化硅，促進了燒結(jié)的進行，在碳化硅顆粒之間形成了燒結(jié)頸，大幅度的提高了材料的強度。
[0019]3、制備方法簡單，成本低，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0020]4、得到的多孔碳化硅陶瓷最大彎曲強度可以達到176MPa，對應的氣孔率為32%，孔徑分布均勻(平均孔徑為0.12?0.15 μπι)，存在大量連通的納米級別的孔洞，有利于吸附微小尺寸的顆粒、粉塵等。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明實例I (中間相碳微球與硅粉的摩爾比為1:0.6，燒結(jié)溫度1450°C，保溫30min)的微觀SEM照片。其中a圖為低倍；b圖為高倍。
[0022]圖2是本發(fā)明實例I的XRD圖譜.
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施例中均采用純度為99.9 %的Si粉，粒徑為7.5 μ m的中間相碳微球MCMB為初始原料，
[0024]實例I
[0025](I)按摩爾比為Si:MCMB = 1:1的比例稱量，將稱好的兩種粉體與無水乙醇按體積比為1:3的比例混合，球磨24小時，在80°C下干燥24小時，過200目篩網(wǎng)；
[0026](2)將球磨后的粉體于200MPa壓力下模壓成型，得到生坯；
[0027](3)將得到的生坯置于石墨坩禍中，然后一起置于氣氛燒結(jié)爐中，在流動氬氣的條件下，以300°C /h的升溫速率升至IlOOcC ;
[0028](4)給爐腔內(nèi)通入少量的空氣，使其處于微正壓0.0lMPa，繼續(xù)以300 °C的升溫速率升溫到1450 °C，保溫lh，
[0029](5)隨爐冷卻得到多孔碳化硅陶瓷。
[0030]對本實施例獲得的多孔碳化硅陶瓷進行物理性能測試及顯微結(jié)構(gòu)分析，其彎曲強度為176MPa，對應的氣孔率為32%。微觀SEM照片參見圖1，XRD圖譜參見圖2。從圖1可見，燒結(jié)體內(nèi)存在大量孔洞，以及碳化硅晶須，同時顆粒之間形成了連接頸。從圖2中可見，燒結(jié)體主要由碳化硅構(gòu)成，同時存在少量的未反應炭和3102玻璃相，S1 2玻璃相的存在可以促進燒結(jié)，使得碳化硅顆粒間形成連接頸。由此說明，SiC晶須和S12玻璃相的出現(xiàn)有助于大幅度提高燒結(jié)體的強度。
[0031]實例2
[0032](I)按摩爾比Si:MCMB = 0.6:1的比例稱量，將稱好的粉體與無水乙醇按體積比為1:2的比例混合，球磨12小時，在100°C下干燥18小時，過200目篩網(wǎng)；
[0033](2)將球磨后的粉體于SOMPa壓力下模壓成型，得到生坯；
[0034](3)將得到的生坯體置于石墨坩禍中，然后一起置于氣氛燒結(jié)爐中，在流動氬氣的條件下，以300°C /h的升溫速率升至1000°C ;
[0035](4)給爐腔內(nèi)通入少量的空氣，使其處于微正壓0.005MPa，繼續(xù)以200°C/h的升溫速率升溫到1450°C，保溫2h，
[0036](5)隨爐冷卻得到多孔碳化硅陶瓷。
[0037]本實施例獲得的多孔碳化硅陶瓷的彎曲強度為160MPa，對應的氣孔率為37%。
[0038]實例3
[0039](I)按摩爾比為Si:MCMB = 0.8:1的比例稱量，將稱好的粉體與無水乙醇按體積比為1: 1.5的比例混合，球磨18小時，在90°C下干燥20小時，過200目篩網(wǎng)；
[0040](2)將球磨后的粉體于75MPa壓力下模壓成型，得到生坯。
[0041 ] (3)將得到的生坯置于石墨坩禍中，然后一起置于氣氛燒結(jié)爐中，在流動氬氣的條件下，以250°C /h的升溫速率升至1200°C ；
[0042](4)給爐腔內(nèi)通入少量的空氣，使其處于微正壓0.015MPa，繼續(xù)以200°C/h的升溫速率升溫到1450°C，保溫1.5h
[0043](5)隨爐冷卻得到高強度多孔碳化硅陶瓷。
[0044]本實施例獲得的多孔碳化硅的彎曲強度為170MPa，對應的氣孔率為34%。
【主權(quán)項】
1.反應燒結(jié)及微氧化處理制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)按摩爾比，硅粉:中間相碳微球=(0.6?I):1的比例稱量配料:將稱量好的硅粉和中間相碳微球粉料進行濕磨處理，得到混合粉體； (2)將混合粉體模壓成形為生坯； (3)將生坯體置于氣氛燒結(jié)爐中，在流動Ar氣保護下，以100?300°C/h的升溫速率升溫到1000?1200 0C ； (4)進行微氧化處理:給爐腔內(nèi)通入少量的空氣，使爐內(nèi)真空表壓處于微正壓O?0.02MPa，快速升溫到1400?1550°C，保溫O?2h ; (5)燒結(jié)體隨爐冷卻后得到多孔碳化硅陶瓷。2.如權(quán)利要求1所述的反應燒結(jié)及微氧化處理制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，所述硅粉的純度為99.9%，粒度1-10 μm，所述中間相碳微球的粒徑為5_20 μπι。3.如權(quán)利要求1所述的反應燒結(jié)及微氧化處理制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，所述濕磨處理是指，將兩種粉料與無水乙醇按體積比1: (1.5?3)進行球磨12?24h，在60?100°C下干燥18?24小時，過200目篩網(wǎng)。4.如權(quán)利要求1所述的反應燒結(jié)及微氧化處理制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，所述模壓成型是在50?200MPa壓力下將混合粉體裝填模具后干壓成型。5.如權(quán)利要求1所述的反應燒結(jié)及微氧化處理制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，所述快速升溫是指300°C /h以上的升溫速率。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種反應燒結(jié)及微氧化處理制備多孔碳化硅陶瓷的方法，首先將一定量的中間相碳微球和硅粉濕球磨，得到混合粉末，其次在室溫下干壓成型制備生坯，最后在微氧化處理下高溫反應燒結(jié)得到多孔碳化硅陶瓷。微氧化處理下，原位生成了大量的碳化硅晶須；同時產(chǎn)生了SiO2玻璃相，促進了燒結(jié)的進行，并且在碳化硅顆粒之間形成了燒結(jié)頸。本發(fā)明操作簡單，生產(chǎn)效率高，采用本發(fā)明方法制備的多孔碳化硅陶瓷孔徑分布均勻，彎曲強度高，強度在孔隙率為32％時達到176MPa。
【IPC分類】C04B38/06, C04B35/565
【公開號】CN105016773
【申請?zhí)枴緾N201510465513
【發(fā)明人】夏鴻雁, 楊少輝, 王紅潔, 史忠旗, 王繼平, 喬冠軍, 張闊, 楊建鋒
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月31日