[发明专利]一种大孔径三维网络SiC陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

    本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种大孔径三维网络SiC陶瓷材料的制备方法。

背景技术

碳化硅多孔陶瓷是一种兼具结构性和功能性的陶瓷材料，其不仅具有陶瓷基体的优良性能，而且还具有较大的气孔率、气孔表面积以及可调节的气孔形状、气孔孔径尺寸，气孔在三维空间的分布且具有连通性，同时，还具有相匹配的热、电、磁、光和化学等性能。而具有大孔结构的碳化硅陶瓷的较引人注目的应用则是其可在严苛的环境条件下作为气体、液体（如熔融金属）、固体颗粒的过滤材料，催化剂载体，也可以应用于太阳能受体材料，物理与化学传感器等。

目前，大孔径SiC多孔陶瓷的制备有很多种途径，可将其分为两大类：有模板法和无模板法。而目前国内外对于大孔碳化硅陶瓷的研究主要集中在硬模板法上。硬模板法，即通过使用固体物质，如：分散的固体小颗粒、海绵泡沫材料和仿生结构材料等，作为模板与目标产物SiC的粉体或前驱物相混合，经过加热分解、高温烧结等过程最终获得SiC多孔陶瓷材料。这种方法的缺点也是显而易见的：首先，孔径和孔型要依赖于模板剂的孔径和孔型；其次，合成步骤较为繁琐，除了陶瓷的烧结步骤外，有的还涉及模板制备和前处理，包括成孔，以及碳化等步骤；另外，制备大孔所用的模板骨架一般较厚，受固体扩散反应的影响，硅化和碳热还原一般进行的不完全，而引入过量的反应物会造成成品碳化硅陶瓷的不纯，为得到较纯的碳化硅材料，后处理步骤就不可避免。而利用各种海绵体作为模板，则容易生成壁孔（海绵骨架分解后留下的），这对于提高烧结后陶瓷的力学性能是不利的。因此这些方法都存在工艺复杂、成本高和含有闭气孔等缺点，其使用受到一定的限制。而目前的无模板法制备多孔材料，主要存在成本过高，制得的多孔材料三维连通性差、闭气孔多、孔径较小等缺点，所以应用并不广泛。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种大孔径三维网络SiC陶瓷材料的制备方法，目的是实现对碳化硅的孔径、孔型控制的同时，降低生产成本，简化生产工艺。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）将SiC粉末与B₄C粉末按质量比99:1混合，加入氨水、蔗糖、丙烯酰胺、N，N-亚甲基双丙烯酰胺和水球磨混合均匀，形成SiC混合浆料；

（2）向SiC混合浆料中加入占SiC混合浆料质量0.8-3.2‰的表面活性剂、2-8%发泡剂双氧水和浓度为6.5-10%聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，SiC混合浆料与粘结剂的质量比为1：（0.75-1.5），搅拌均匀，然后加入引发剂，继续搅拌30-60s后，于60-80℃凝胶发泡1h，转移到-17~-15℃的环境中冷冻4-12h，再在室温条件下，以无水乙醇或工业乙醇为萃取剂，萃取冷冻后的浆料中的水，进行干燥，得到发泡凝胶；

（3）在惰性气氛保护下，对发泡凝胶于1950-2040℃保温烧结0.5-1h，得到大孔径三维网络SiC陶瓷材料。

所述的SiC粉末的平均粒度为1.0μm，碳化硼粉末的平均粒度为3.0μm。

所述的氨水加入量为SiC混合浆料质量的1-2%，蔗糖的加入量为SiC混合浆料质量的6.5-9%，丙烯酰胺的加入量是SiC混合浆料质量的3-5%，N，N-亚甲基双丙烯酰胺的加入量是SiC混合浆料质量的0.2-0.4%，水的加入量是SiC混合浆料质量的19-22%。

所述的表面活性剂是AES；双氧水是质量分数30%的过氧化氢水溶液；聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的聚合度为2000，醇解度为99%；所述的引发剂是质量浓度为10%的过硫酸铵水溶液，其加入量是SiC混合浆料质量的0.2%。

所述的萃取重复1～2次，每次萃取时间≥5小时，。

所述的干燥是在100℃下干燥4小时。

与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：

（l）本发明采用双氧水作为发泡剂，通过改变发泡剂添加量可以控制制备的材料的孔径大小，孔隙率，并且添加少量就可以达到发泡的作用；

（2）本发明通过凝胶法在发泡过程中发生凝胶，能形成能阻止发泡体塌陷的凝胶结构，使气泡固定，并可有效提高坯体强度；

（3）本发明采用聚乙烯醇作为粘结剂，其浓度和添加量的变化可以有效的调节大孔SiC陶瓷的孔径、孔隙度和连通度，并且可以增加浆料的粘度，对气泡具有较长时间的稳定作用，其冷冻凝胶特性则在固定气泡方面发挥了作用，使得不用很苛刻的冷冻条件即可实现凝胶；