[发明专利]多孔碳化硅陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅陶瓷的制备方法。

背景技术

多孔碳化硅陶瓷由于具有低密度、耐高温、耐腐蚀、高渗透率以及抗氧化、抗热震性能好等优点，使其在高温气体过滤器材料、催化剂载体、气体燃烧室介质和耐火材料方面具有广泛的应用前景。目前，已经较多应用的多孔陶瓷多为氧化物陶瓷，但其存在高温性能不佳、耐腐蚀性能不足等缺点，而多孔碳化硅陶瓷正好能够弥补这些不足；此外，许多特殊领域对多孔陶瓷材料的性能提出了更高的要求，碳化硅材料本身的优点使其成为制备多孔陶瓷的理想材料之一，如在核能领域中用于高温气冷堆中过滤放射性废液和含石墨颗粒的高温氦气。因此，关于多孔碳化硅陶瓷的制备成为目前研究的热点之一。

目前，制备多孔碳化硅陶瓷的方法主要有：直接颗粒堆积形成孔隙，添加有机物造孔剂、发泡剂，或者采用木材、高固碳含量的树脂经高温裂解形成多孔坯体、有机泡沫塑料作为模板，或者选用聚碳硅烷作为前躯体等。现有的制备多孔碳化硅陶瓷材料方法，有的工艺较为简单，但孔隙尺寸及孔隙率不能有效进行控制，较难制备孔隙率高于80％以及孔隙定向排列的多孔陶瓷；有的工艺需在制备过程中排除有机物以形成孔隙结构，虽然孔隙率及孔径在一定范围内可控，但同样难于制备高孔隙率的多孔碳化硅陶瓷，此外，有机物的排除对环境不友好；利用聚碳硅烷作为前躯体能够在较低温度下制备多孔碳化硅陶瓷，但制备成本很高。另一方面，上述制备方法难以实现复杂形状的多孔碳化硅陶瓷的制备，若要制备形状复杂的零件，需要进行较大的后续机械加工，大大增加了生产成本。此外，由于碳化硅的烧结性能差，现有的方法制备的多孔碳化硅陶瓷的力学性能较低，在制成的成品中气孔率达到50％时，强度往往低于40MPa，严重限制了多孔碳化硅陶瓷的应用。鉴于此，改进制备多孔碳化硅陶瓷的方法，使之能够有效控制孔隙尺寸及孔隙率，并且能够制备出复杂形状、高性能的多孔碳化硅陶瓷，显得尤为必要。

反应烧结法制备碳化硅是指通过单质碳和硅在高温下发生反应生成碳化硅将已有的碳化硅颗粒连接起来得到碳化硅块体材料的方法，该工艺能够实现在较低温度下烧结碳化硅材料，然而，一般情况下单质碳或硅在反应结束后会有残留，严重影响所制备的材料性能。因此，改进反应烧结工艺，保留其低温可以实现烧结的优点、实现反应完全、无任何单质碳或硅的残留，将会促使该工艺获得更大的应用前景。

发明内容

本发明为了解决现有方法制备的多孔碳化硅陶瓷力学性能低、孔隙率低的技术问题，提供了一种多孔碳化硅陶瓷的制备方法。

多孔碳化硅陶瓷的制备方法按照以下方法进行：

一、将5～60质量份原料与40～95质量份去离子水混合，然后加入分散剂、粘结剂和消泡剂，再加入碳化硅球进行球磨24小时，得到浆料；

所述的原料为碳化硅粉体或者碳化硅粉体与烧结助剂组成的混合物，碳化硅粉体与烧结助剂组成的混合物中烧结助剂的质量分数为1～10％，其中碳化硅粉体与分散剂的质量比为1∶0.001～0.03，碳化硅粉体与粘结剂的质量比为1∶0.005～0.03，碳化硅粉体与消泡剂的质量比为1∶0.001～0.01；

步骤一中所述的烧结助剂为Al₂O₃、Y₂O₃及BaAl₂Si₂O₈中的一种或其中几种的组合；

步骤一中所述的分散剂为四甲基氢氧化铵(TMAH)或柠檬酸铵；

步骤一中所述的粘结剂为聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或明胶；

步骤一中所述的消泡剂为正丁醇；

二、将浆料倒入模具中浇注成型，再脱气10分钟，得到样品，将样品在-196℃～-10℃凝固3～60分钟，然后在温度为-10℃～40℃、压力为1～100Pa的条件下冷冻干燥1～4天，即得多孔陶瓷生坯；

三、将多孔陶瓷生坯放置于无压烧结炉中，在真空度为1×10^-3Pa～1×10^-2Pa、升温速率为1℃/min～2℃/min的条件下加热到600℃并保温0.5～4小时，向无压烧结炉中充入高纯氮气或高纯氩气，然后以5～10℃/min的升温速率升温至1500～1800℃并保温0.5～4小时，随炉冷却，即得预制体；