[发明专利]制备碳化硅木陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备碳化硅木陶瓷的方法。

背景技术

木陶瓷研究的初衷是在环境问题日益突出的大背景下为了处理及有效循环利 用木质废弃物所进行的尝试。20世纪90年代初日本青森工艺实验场的冈部敏弘博 士等人以木质废弃物(如废纸、木屑等)为原料首先进行了这方面的研究工作，相 应的产品称为“木陶瓷(woodceramics)”。十多年来，许多国家的研究人员进行 了这方面的研究，美国学者将其称为“生态陶瓷(Eco-ceramics)”。

近年来，木陶瓷成为新型陶瓷材料研究的一个热点。诸多国内外研究者采用不 同的木质材料和工艺路线研究并制备了组成、结构迥异的木陶瓷及其复合材料。所 制备的木陶瓷从材料体系上来分，主要是炭质木陶瓷(碳元素是其主要成分)和碳 化硅木陶瓷(SiC和Si是其主要成分)。日本学者最早于1995年利用橡木尝试制 备了碳化硅木陶瓷，它是将木材在氮气气氛保护下热解得到炭坯，然后对其进行液 相渗硅制备出碳化硅木陶瓷。此后研究者还尝试了用枫树、桃花心木、芒果树及椰 子树以及密度板(middle density fiberboard，MDF)和木纤维/树脂基复合材料 (wood basic composite，WBC)等代替木材作为起始材料，同样得到了碳化硅木陶 瓷。对碳化硅木陶瓷的力学性能测试表明，它能够以较低的密度获得与传统反应烧 结工艺制备的具有较高密度的反应烧结碳化硅相近的力学性能，因而备受关注，被认 为是很有潜力的一种结构材料。

但是，上述方法并不能成为具有实际应用价值的碳化硅木陶瓷制备工艺：直接 采用木材制备碳化硅木陶瓷时，由于木材密度低，结构波动性大，所制备的陶瓷密 度低，力学性能不甚理想且可靠性差；采用密度板为原料时，结构均一性得到提高， 但坯体密度仍然偏低，所制备的陶瓷致密性差、强度低；采用树脂基复合材料为原 料时，可以得到较高密度的碳化硅木陶瓷，但原料体系中引入的树脂粉使陶瓷中残 碳量过高，限制了其力学性能的进一步提高。

因此有必要开发一种新的碳化硅木陶瓷制备技术，尤其是要获得微观结构均 匀、密度分布合理多孔炭坯，使所制备的陶瓷兼有高力学性能和高可靠性两方面的 优点，这对于碳化硅木陶瓷的实际应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备碳化硅木陶瓷的方法。

本发明所提供的制备碳化硅木陶瓷的方法，是用注浆成型的方法将碳浆制成碳 坯，用液相渗硅或者气相渗硅的方法使所述碳坯与硅形成碳化硅木陶瓷；所述碳浆 含有细度为1500目-10000目的木质碳粉和水。

其中，所述碳浆中木质碳粉与水的质量比可为5∶(4-7.5)。所述碳浆中还可 含有分散剂和粘结剂。所述分散剂与所述木质碳粉的质量比可为1∶(33-300)； 所述粘结剂与所述木质碳粉的质量可比为1∶(120-1000)。所述分散剂可为聚乙 烯吡咯烷酮(PVP)或聚乙烯醇(PEG)；所述粘合剂可为甲基纤维素(MC)、羧甲 基纤维素(CMC)、甲基纤维素的金属盐、羧甲基纤维素的金属盐或木质素磺酸盐。 所述碳坯的密度具体可为0.806g/cm³-0.924g/cm³，所述碳坯与所述硅的质量具体 可比为1∶(2-3)。

所述细度为1500目-5000目的木质碳粉可以通过商业途径获得，也可按照如下 的方法制备：在真空或氮气保护或氩气保护下，将200-300目的粉状木质材料在 1000-1500℃碳化，获得粗碳粉，将所述粗碳粉制成1500目-10000目的木质碳粉。 所述的木质材料可以选自如下至少一种：阔叶类树木、针叶类树木、竹、一年生草 本植物的秆茎。

所述液相渗硅的方法为本领域中通用的方法，在本发明中具体可为所述碳坯与 硅在真空度5Pa、1500℃进行反应。所述气相渗硅的方法为本领域中通用的方法， 在本发明中具体可为所述碳坯与硅在氮气保护下、1750℃进行反应。