[发明专利]一种高气体渗透率碳化硅多孔陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高气体渗透率碳化硅多孔陶瓷材料及其制备方法，属于多孔陶瓷制备领域。干法混合配置碳化硅混合粉体，在混合粉体中加入黏结剂聚乙烯醇水溶液并经过高速搅拌、震动筛分造粒、震动填料、冷等静压成型、干燥和程序升温烧结，制得高气体渗透率碳化硅多孔陶瓷材料。制备过程中原料的质量百分比组成为碳粉5~15%，陶瓷纤维2~10%，聚乙烯醇水溶液3~8%，其余为碳化硅。本发明通过向碳化硅粉体中加入陶瓷纤维和碳粉，从而制得高气体渗透性能的碳化硅多孔陶瓷材料，该材料在工业窑炉烟气处理、冶金、能源和节能环保等领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种高气体渗透率碳化硅多孔陶瓷材料及其制备方法，属于多孔陶瓷制备领域。

背景技术

碳化硅多孔陶瓷具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗热震性能高、化学稳定性好、热膨胀系数低等优点，在冶金、化工、燃煤电厂、垃圾焚烧、催化裂解与裂化等领域有广泛的应用前景，主要用于高温下烟气除尘、重金属脱除和催化剂回收等方面。碳化硅共价性强、自扩散系数小，Si-C键能高，低温烧结难以获得高强度的多孔陶瓷材料，通常烧结温度高于2100℃，这造成碳化硅多孔陶瓷产品应用成本偏高。近十几年来，学者提出通过原位反应烧结的方法来低温制备碳化硅多孔陶瓷[J. H. She, et al, Oxidation bonding of poroussilicon carbide ceramics[J]. J. Mater. Sci. 37 (2002) 3615-3622]，原位反应烧结技术即通过添加烧结助剂与碳化硅高温氧化产生的方石英反应形成颗粒连结颈部相，从而获得高强度的碳化硅多孔陶瓷材料[丁书强等，原位反应结合碳化硅多孔陶瓷的制备与性能[J]. 无机材料学报，21 (2006) 122-125]，这种方法具有简单、成本小、容易放大等优点。但是，研究发现目前低温制备碳化硅多孔陶瓷选择的烧助剂通常是含有碱金属和SiO₂成分较高的黏土为主，因为这部分物质高温容易产生液相，生成大量方石英相和无定型玻璃相，有利于碳化硅颗粒之间连结。然而，高温产生的大量液相容易减小由碳化硅堆积起来的孔道数量和大小，引起孔隙率和平均孔径的双双降低，造成多孔材料的气体渗透性能受到极大的影响，不利于材料在气固分离领域的规模化应用。因此，如何增大材料孔径和孔隙率，保证机械强度的基础上提高材料的气体渗透率，是推动碳化硅多孔陶瓷进入气固分离领域应用的关键技术。陶瓷纤维又称耐火纤维，具有耐高温、强度大、韧性高和热膨胀系数低等特点。用陶瓷纤维来“架桥”碳化硅颗粒颈部，增大孔间尺寸，提高孔径和孔隙率，会给材料的气体渗透性能带来极大的改善；此外，纤维的拔出和桥连同时也提升了材料的力学性能[史国普等，莫来石纤维对氧化铝陶瓷性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程，38(2009) 447-449]，由于陶瓷纤维具备热膨胀系数低的特点，该技术制备的碳化硅多孔陶瓷也可具备较好的抗热震性能，这将大大扩大了碳化硅多孔陶瓷的使用寿命和应用领域。但目前关于采用陶瓷纤维掺杂制备高气体渗透率碳化硅多孔陶瓷材料相关的论文报道和专利情况较少。

发明内容

本发明旨在提高现有碳化硅多孔陶瓷材料的气体渗透性能。本发明提供了一种高气体渗透性能的碳化硅多孔陶瓷制备方法，该方法工艺简单、成本低，所制得的碳化硅多孔陶瓷材料除了具有一般碳化硅陶瓷的优异性能外，还具有高强度和抗热震性能优越等特点，可以满足高温烟气治理量比较大的过滤使用要求。

本发明的技术方案如下：

一种高气体渗透率碳化硅多孔陶瓷材料及其制备方，制备步骤如下：

（1）将原料碳化硅、陶瓷纤维和碳粉置于三维混合机中充分混合24 h，得到混合粉体a；

（2）将混合粉体a中放入高速搅拌机中并加入黏结剂聚乙烯醇水溶液，搅拌30 min，搅拌机转速1000 r/min，然后出料并进行震动筛分获得黏结剂含量均匀的造粒粉体b；

（3）将粉体b通过震动填料转入模具，放入冷等静压机制备碳化硅陶瓷生坯，然后在70ºC的烘箱中烘干24 h，得烘干坯体c；