[發明專利]一種制備高強度多孔碳化硅陶瓷的方法

無效

• 申請號: 201110149191.4
• 申請日: 2011-06-03
• 公開（公告）號: CN102303978A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 劉中國;趙宏生;楊暉;李自強;張凱紅
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00;C04B35/565
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 童曉琳

技術領域

本發明屬于多孔陶瓷技術領域，特別涉及一種制備高強度多孔碳化硅陶瓷的方法。

背景技術

多孔碳化硅陶瓷是一種新型精細陶瓷，具有以下特點：孔隙率高、氣孔分布均勻且為立體網狀結構、骨架中存在微孔(骨架體積約占30％)、體積密度小、比表面積大、壓力損失小、耐化學腐蝕、耐高溫、耐磨損、耐輻照、熱導率高、比電阻小(室溫下電阻率一般為1-2Ω·cm，通電可發熱)、易加工成型。

多孔碳化硅陶瓷兼備多孔陶瓷和碳化硅的特性，在介質腐蝕性強、高溫、高輻照等特殊環境得到廣泛應用。例如，在冶金領域，可用作熔融金屬過濾器、出鐵槽、出鋼口、冷滑軌和蒸餾器等；在硅酸鹽生產領域，可用作各種窯爐的內襯和匣缽等；在空間科學領域，可用作火箭噴管和高溫燃氣透平葉片等；在核能領域，如在清華大學自主研發的高溫氣冷堆中，可用作過濾器來過濾高溫氣冷堆燃料元件制備過程中產生的放射性廢液和高溫氣冷堆中含有石墨顆粒的高溫氦氣等；在環境領域，被廣泛用于過濾各種流體，尤其被視為柴油機尾氣過濾器的最佳候選材料。

多孔碳化硅陶瓷的制備技術在各種文獻中皆有陸續報道，不同方法制備出的材料性質各異。一項中國專利(申請號：200610119233.9)報道了一種凝膠-冷凍-干燥工藝制備碳化硅多孔陶瓷的方法，該法所得多孔碳化硅陶瓷孔隙率較高，具有定向、互連的孔隙結構；缺點是工藝復雜，產品純度不高。“Materials?Characterization，2008，59(2)：140-143”報道了在1400～1550℃下，以Al₂O₃為添加劑，通過碳化硅表面氧化生成的二氧化硅和氧化鋁反應生成多鋁紅柱石形成燒結頸，制得孔徑分布較窄、平均孔徑為1.9μm的多孔碳化硅陶瓷。其中，提高燒結溫度可以增加多孔陶瓷的強度，但同時導致開孔孔隙率降低，且該法制得的多孔碳化硅陶瓷純度不高。另一項中國專利(專利號：200510076993.1)采用包混工藝制備了具有硅——樹脂核殼結構的先驅體粉體，再經過成型、碳化和高溫燒結反應制備得到高孔隙率(大于80％)的多孔碳化硅陶瓷。該法工藝簡單、生產效率高、節能、環境相容性好，是一種能夠制備高孔隙率多孔碳化硅陶瓷的方法，但燒結溫度較高，產品抗熱震性較差，強度不高。

發明內容

本發明的目的是針對已有包混工藝制備多孔碳化硅陶瓷的不足，在原有工藝基礎上進行改進，提供一種除了具備工藝成本低、孔隙率高、孔隙大小可控、能耗低、容易過渡到大批量生產、燒結溫度低、抗熱震性能好等優點，還具有強度高、熱膨脹系數低等特點的高孔隙率多孔碳化硅陶瓷的制備方法：在包混工藝的老化步驟，通過添加pH調節劑的方法調節體系pH值，制得包覆效果良好的硅-樹脂核殼結構先驅體粉體，采用原工藝的添加劑配方，通過先驅體粉體制備、添加助劑、壓力成型、炭化處理及燒結五個步驟制備多孔碳化硅陶瓷材料。

一種制備高強度多孔碳化硅陶瓷的方法，包括先驅體粉體制備、添加助劑、壓力成型、炭化處理及燒結五個步驟，其中，先驅體粉體制備步驟采用包混工藝制備硅粉表面包覆樹脂的硅-樹脂核殼結構先驅體粉體，包混工藝如下：將硅粉、酚醛樹脂和酒精混合成漿料，將混合漿料熱處理，再冷處理，然后將冷處理后的混合漿料注射入水中，再進行老化處理，最后真空干燥，制得先驅體粉體，其特征在于：在包混工藝的老化步驟調節體系的pH值，以制備硅粉表面包覆完整和包覆不完整樹脂殼層的硅-樹脂核殼結構先驅體粉體。

可調節系統的pH值為2～10。

包混工藝老化步驟中，可通過滴加濃度為0.1-5mol/L的pH值調節劑調節體系的pH值。所述pH調節劑為酸性調節劑或堿性調節劑中的至少一種，其中，酸性調節劑包括：鹽酸、甲酸、乙酸等酸性物質；堿性調節劑包括：氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋇等堿性物質。

包混工藝老化步驟中，保持體系的pH值為一定值的條件下，在25-55℃保溫攪拌0.5-5小時。

上述方法中，硅粉、酚醛樹脂和酒精的質量比為1∶(0.25～1.1)∶2。

上述方法中，熱處理在30～80℃進行，并攪拌，攪拌時間為30～120min。

上述方法中，冷處理在0～10℃范圍內進行，同時攪拌，攪拌時間為10～60min。

上述方法中，注射壓力0.11～1.2MPa。

上述方法中，真空干燥溫度為20～100℃，干燥時間為10～120min。