[发明专利]一种反应烧结用多孔碳预制体及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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）中的碳和熔融硅的反应非常剧烈，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 DR,Singh M.Effect of carbon preform pore volume and infiltrants on the composition of reaction-formed silicon carbon materials.J Mater Synth Process1994,2(2):117–123.Yanxiang Wang,Shouhong Tan,Dongliang Jiang.The effect of porous carbon preform and the infiltration process on the properties of 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发明的化学合成相分离热解法（Hucke,Hucke E E.Methods of producing carbonaceous bodies and the products there of.U.S.Pat.No.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发明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℃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，实践了该发明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。

发明内容

本发明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。