[發明專利]高強度莫來石結合碳化硅多孔陶瓷材料的制備方法

在審

• 申請號: 202110587302.3
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113277854A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 張景德;李子禾;常籽萱;韓桂芳
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C04B35/577
• 分類號: C04B35/577;C04B35/622;C04B38/00
• 代理公司: 北京五洲洋和知識產權代理事務所(普通合伙) 11387
• 代理人: 張向琨

本公開提供了一種高強度莫來石結合碳化硅多孔陶瓷材料的制備方法，包括步驟：步驟一，將基體原料加入球磨罐中，再加入分散劑水溶液、球磨介質，進行一次磨球，再加入粘結劑溶液，繼續二次球磨，得到漿料；步驟二，將步驟一所得到的漿料倒入容器中，放入冷凍干燥器機進行干燥脫水，得到固體物；步驟三，將步驟二得到的粉體造粒，然后過篩；步驟四，將步驟三得到的篩下物利用模具干壓成型，得到生坯；步驟五，將步驟四得到的生坯進行真空干燥；步驟六，將步驟五真空干燥后的生坯在空氣氣氛中進行常壓燒結。所獲得的高強度莫來石結合碳化硅多孔陶瓷材料不含方石英相、抗彎曲強度高。

技術領域

本公開涉及陶瓷材料領域，具體涉及一種高強度莫來石結合碳化硅多孔陶瓷材料的制備方法。

背景技術

多孔碳化硅陶瓷材料，具有高孔隙率、高比表面積、優異的力學性能、穩定的化學性能、較高的導熱率以及較低的熱膨脹系數等性質，已經被大量研究證明其在催化劑載體材料方面具有巨大的應用價值。然而，目前多孔碳化硅陶瓷的制備工藝較為復雜且成本較高，因而限制了該材料的應用。

多孔碳化硅陶瓷的致密化難度較高：由于碳化硅中的Si-C鍵是鍵能極強的共價鍵，國內外關于多孔碳化硅材料的報道中，通常需要在較高溫度下實現其坯體的致密化，同時為了避免高溫下碳化硅在燒結過程中的氧化反應，燒結通常在保護氣氛中進行。例如，上海硅酸鹽研究所Zeng等利用硼-碳固相助燒制備的多孔碳化硅陶瓷(https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.12.061,Fabrication of porous SiC ceramics through amodified gelcasting and solid state sintering)，以2050℃作為燒結溫度，以氬氣為保護氣氛，制備的多孔碳化硅陶瓷在孔隙率為34.2～48.1％的情況下，試樣抗彎曲強度為61～128MPa。

莫來石結合法作為一種致密化機理，利用碳化硅陶瓷的氧化生成的氧化硅與氧化鋁反應，在碳化硅顆粒間生成莫來石相，完成顆粒間接觸部分的相互結合，進而實現坯體的致密化。這種方法使得燒結過程無需在保護氣氛中進行，同時大大降低了坯體的致密化溫度，可以有效降低多孔碳化硅陶瓷的生產成本。然而，相比于多孔碳化硅陶瓷的其他致密化工藝，如固相燒結、液相燒結、等離子燒結以及反應結合法，通過莫來石結合法制備的多孔碳化硅陶瓷力學性能相對較低：2006年5月10日公布的中國專利CN1769241A公開了一種“原位反應法制備莫來石結合的碳化硅多孔陶瓷”，以1450℃作為燒結溫度，在空氣通過無壓燒結制備得到了氧化相結合多孔碳化硅陶瓷，其結合相主要成分為大量的方石英相與少量的莫來石相。然而產品在開孔隙率為50％的情況下，抗彎曲強度僅能達到10MPa左右。這是因為方石英相的力學性能相對較低，且與碳化硅的性能匹配程度較差，大大降低了試樣的力學性能。此外，2019年，清華大學Wang等通過該工藝制備的多孔碳化硅陶瓷，在孔隙率為37％的情況下，試樣的抗彎曲強度為22MPa(Influence of bonding phases onproperties of in-situ bonded porous SiC membrane supports,https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.12.082)；海南大學Deng等通過對該工藝的燒結助劑進行優化，在孔隙率為36.3％的情況下，式樣的抗彎曲強度達到了37MPa(Effect of V₂O₅ additionon the properties of reaction-bonded porous SiC ceramics,https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.08.016)；蒙特利爾綜合理工大學Chaouki等將該工藝與凝膠-溶膠法結合，在孔隙率38.7％的情況下，試樣的抗彎曲強度達到41MPa(ManufacturingProcess for in Situ Reaction-Bonded Porous SiC Ceramics Using a Combinationof Graft Polymerization and Sol-Gel Approaches,https://doi.org/10.1021/ie500214e)。可見，在莫來石結合多孔碳化硅陶瓷領域，目前國內先進水平為：試樣在孔隙率大于35％的情況下，試樣的抗彎曲性能最高可以達到37MPa，國際先進水平可以在孔隙率超過35％的情況下，試樣抗彎曲強度達到41MPa。相比于其他致密化工藝，莫來石結合多孔碳化硅陶瓷的力學性能仍有待提升。