[發明專利]一種反應燒結用多孔碳預制體及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201310661024.7
• 申請日: 2013-12-09
• 公開（公告）號: CN103641509A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 胡傳奇;霍艷麗;王華;梁海龍;劉海林;唐婕;陳玉峰
• 申請（專利權）人: 中國建筑材料科學研究總院
• 主分類號: C04B38/06
• 分類號: C04B38/06;C04B35/52;C04B35/622
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322
• 代理人: 魯兵

技術領域

本發明涉及多孔碳預制體及其制備方法，特別是涉及一種反應燒結用多孔碳預制體及其制備方法與其在制備碳化硅中的應用。

背景技術

通過熔融硅浸滲多孔碳預制體以制備反應燒結碳化硅是一種極具競爭力的技術，具有殘余硅少、抗彎強度高、低成本等優勢。但在滲硅過程中，多孔碳預制體（porous?carbon?preform）中的碳和熔融硅的反應非常劇烈，多孔碳預制體在滲硅反應過程中出現劇烈的體積膨脹效應，容易導致反應燒結碳化硅出現黑心、開裂和分層等缺陷，因此，多孔碳預制體的制備至關重要，需要使多孔碳預制體密度控制在0.963g/cm³以內，孔隙率在38％以上，并且孔徑分布均勻，從而避免上述缺陷（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，制備多孔碳預制體的方法主要有Hucke發明的化學合成相分離熱解法（Hucke,Hucke?E?E.Methods?of?producing?carbonaceous?bodies?and?the?products?there?of.U.S.Pat.No.3859421,Jan.7,1975.），該方法能夠精確控制多孔碳預制體的密度和孔隙結構，因而能夠獲得結構均一的多孔碳預制體，制備的多孔碳預制體經過高溫滲硅反應后，反應生成的碳化硅三點抗彎強度可達800MPa，但該方法涉及復雜的物理化學過程，制備參數不易控制，制備成本較高，未能實現工業化生產。

木材熱解構架法是一種傳統的制備多孔碳預制體的方法，該方法能精確復制木材的天然結構，制備出具有生物形態的多孔碳預制體，同時不涉及復雜的物理化學反應，制備成本也較Hucke發明的化學合成相分離熱解法低，但木材在熱解過程中，由于材質密度不均勻以及燒失而產生的變形和裂紋，極大地影響了多孔碳預制體的質量。

中國專利申請00114425.1“純碳粉水基分散一步法制造反應燒結碳化硅陶瓷材料的方法”中采用工業碳素、石墨粉為碳源，水為分散介質，添加分散劑、粘結劑、塑化劑、消泡劑等，經過球磨后制備出碳泥漿，泥漿經過注漿、擠塑等濕法成型工藝制備出坯體，坯體經過干燥后經過高溫滲硅反應，制備出三點抗彎強度達400MPa、密度為3.0g/cm³的反應燒結碳化硅制品，該方法制備工藝簡單可行，制備成本較低，易于實現工業化生產，但在成型、干燥和反應燒結過程中，由于存在應力、分層、干燥速率過快以及有機添加劑的熱解，容易在坯體中引入裂紋、分層等缺陷，且坯體中孔隙結構不易控制。

室溫冷凝澆注成型工藝是一種新穎的多孔陶瓷材料的制備工藝，目前在多孔氧化鋁、多孔氧化鋯等領域獲得了廣泛的研究。中國專利申請200410073896.2“一種制備含碳陶瓷素坯的方法”中敘述了室溫冷凝澆注成型陶瓷素坯的方法，在碳源（炭黑、石墨或石油焦）中加入鈦基偶聯劑混合，在陶瓷粉料（碳化硅或氧化鋁）中加入硅烷偶聯劑混合，再加入到30-85℃液體懸浮介質（莰烯、樟腦）中，混合均勻后注入模具，凝固后經脫模和升華步驟得到含碳陶瓷坯坯體。該技術采用木炭粉作為碳源，莰烯為分散介質，添加一定量的分散劑，實踐了該發明中介紹的室溫冷凝澆注成型方法，可制備出多孔碳預制體，然而，預制體經高溫滲硅反應后，得到的反應燒結碳化硅存在黑心、開裂和分層等致命缺陷，難以滿足實際使用要求。可見單純采用該成型方法不能制備出適合反應燒結的多孔碳預制體，有必要改變制備方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種孔隙結構均勻，密度、孔隙率可控的反應燒結用多孔碳預制體，該多孔碳預制體經過高溫滲硅反應可進一步制備出性能優良的碳化硅制品。