專利名稱：一種提高碳化硅泡沫陶瓷高溫抗氧化性能的表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及泡沫陶瓷材料及桐料表面改性領(lǐng)域，具體指一種用于提高碳化硅 泡沫陶瓷高溫抗氧化性能的表面改性方法。
背景技術(shù)：
作為一種新型功能材料，多孔陶瓷最佳地結(jié)合了多孑L桐料的高比表面和陶瓷 桐刺-的物理化學(xué)性能。在過去的幾十年里，對于這類材'料尤其是SiC泡沬陶瓷的 研究越來越受到人們的關(guān)注，SiC泡沫陶瓷具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙率 高且氣孑L相互連通(參見中國專利申請，申請?zhí)?3134039.3，發(fā)明名稱 一種 高強度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制備方法，公開爭CN 1600742A)。同 時，與其他多孔陶瓷相比，SiC泡沫陶瓷除具有多孔陶瓷所具有的一般特性外， 它還具有高溫強度高、耐磨、耐各種酸堿腐蝕、高熱導(dǎo)率、良好熱震性、密度低、 尺寸穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)良特點。因此，SiC泡沬陶瓷的應(yīng)用范圍不斷擴大，應(yīng)用 水平也在不斷地提高?，F(xiàn)在該類多孔陶瓷被廣泛應(yīng)用在熱隔離設(shè)備、催化劑載體、 電極、熱交換器、高溫?zé)煔馓幚?、多孔介質(zhì)燃燒器、汽油及柴油發(fā)動機尾氣凈化 器、熔融金屬過濾器和微波吸收等方面。但是，碳化硅是一種非氧化物陶瓷材料.，在高溫、氧化條件下，不可避免的 帶來氧化問題，雖然SiC的氧化產(chǎn)物Si02保護膜(氧在Si02中的擴散系數(shù)非常 低)，可以阻止氧化的進一步發(fā)生，但是SiC的初期氧化產(chǎn)物為玻璃態(tài)的Si02， 約在800-1140。C， Si02膜會因為晶化轉(zhuǎn)變而發(fā)生體積變化，從而使得保護膜出現(xiàn) 裂紋等缺陷，結(jié)構(gòu)變得疏松，氧化保護作用大為下降；另外在活性氧化(如足夠 高的溫度和較低的氧分壓)等氣氛下，SiC在氧化過程中生成揮發(fā)性的SiO，而 不是致密的SiOj莫；同時由于制備方法的不同，桐料致密度、純度也不相同，Si02氧化物保護膜中存在雜質(zhì)元素，導(dǎo)致o在sicy莫中的擴散速度增加，這些因素 都導(dǎo)致碳化硅泡沫材料因為氧化而造成使用性能下降，影響使用壽命。 目前對碳化硅陶瓷材判-的抗高溫氧化處理方激艮多，如在碳化硅陶瓷材料中摻入氧化物成分，即形成硅酸鹽結(jié)合的碳化硅材料；再有就是在碳化硅材料表面 形成氧化物保護層，如鋯石英、莫來石、尖晶石、PZS、氧化鋁等體系，涂層制 備方法有涂料法、溶膠-凝膠法、CVD、等離子噴涂等，研究表明這些方法者隨E夠 起到較好的保護效果，但這些方法制備的涂層存在開裂和致密度不高的問題，需 要進一步解決。而且，目前文獻及專利研究來說，上述方法針對的都是致密塊體、 纖維、晶須或者粉末等，對于三維連通的碳化硅泡沫陶瓷的抗氧化防護還沒有相 關(guān)報道，本發(fā)明所述的提高碳化硅泡沫陶瓷桐料的抗高溫氧化表面改性正是在這 種情況下提出的，具有發(fā)展前景。本發(fā)明的目的是提供一種提高碳化硅泡沫陶瓷高溫抗氧化性能的表面改性方 法，在碳化硅泡沬陶瓷表面形成一層致密的抗高溫氧化改性層，該種全新的方法 具有有效、適應(yīng)性強、經(jīng)濟可靠的特點。本發(fā)明的技術(shù)方案是碳化硅泡沬陶瓷在高溫的氧化行為也可分為活性氧化和惰性氧化兩種情況， 惰性氧化為高溫、富氧的^fK此種條件下SiC材料的氧化產(chǎn)物為Si02保護膜， 氧在材料中的傳遞為氧在Si02中的擴散控制，氧化速度很低，但是SiC的初期氧 化產(chǎn)物為玻璃態(tài)的Si02，約在800-1140。C， Si02膜會因為晶化轉(zhuǎn)變而發(fā)生體積變 化，從而使得保護膜出現(xiàn)裂紋等缺陷，結(jié)構(gòu)變得疏松，氧化保護作用大為下降； 而活性氧化(如足夠高的溫度和較低的氧分壓)等氣氛下，SiC在氧化過程中生 成揮發(fā)性的SiO，而不是致密的Si02膜，起不到保護作用?；谏厦娴脑?，本發(fā)明提出，先將泡沫材料在完全的惰性氧化氣氛下氧化， 使得表面形成一層致密的Si02氧化層，并使該氧化層由無定形態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的結(jié) 晶態(tài)，控制加熱過程的溫度變化以防止Si02層發(fā)生裂紋等缺陷，就能起到良好本發(fā)明提出的提高碳化硅泡沫陶瓷高溫抗氧化表面改姓方法，具體包括如下歩驟和工藝條fh(1) 在清潔的氧化氣氛下，將碳化硅泡沫陶瓷在1150-1300。C下預(yù)氧化處理 10-80小時，使得泡沫陶瓷的泡沫筋表面生成一層致密的SiOj莫，氧化膜的厚度 根據(jù)氧化保溫時間、氧化氣氛濃度調(diào)節(jié)，SiO2膜厚度為5-30萍。(2) 由于經(jīng)步驟(1)處理的碳化硅泡沬陶瓷表面形成的Si02膜主要未非晶發(fā)明內(nèi)容:態(tài)，在高溫下是不穩(wěn)定的。因此，不經(jīng)降溫過程，換以清潔的惰性氣氛，使泡沫材料繼續(xù)在1150-1300。C溫度下保溫處理50-150小時，使得步驟(1)中生成的Si02膜完全晶化，然后緩慢冷卻至室溫，就能得到穩(wěn)定的Si02保護膜。所述的材料加熱過程中升溫速度不能過快，應(yīng)在TC/min以下， 一般為 l-2°C/min。所述的氧化氣體為高純氧(高純氧的體積純度為99.99%)，并經(jīng)干燥處理， 流量為0.5-3L/min。所述的惰性氣氛為經(jīng)干燥處理的高純Ar氣(高純氬氣的體積純度為 99.99%)，流量為0.5-lL/min。所述的緩漫冷卻指降溫速度不高于2°C/min， 一般為l-2°C/min。 本發(fā)明具有如下的優(yōu)點和效果1、 本發(fā)明所用的方法可以在碳化硅泡沬陶瓷筋表面形成穩(wěn)定的晶態(tài)&02保 護膜，該種保護膜致密、均勻、穩(wěn)定性好、能夠有效抑制氧向泡沫筋內(nèi)部傳輸， 起到良好的高溫氧化保護作用。2、 本發(fā)明提供的方法操作簡單、成本低廉，可應(yīng)用于各種 L徑的碳化硅泡沫 陶瓷，具有對原始材料狀態(tài)要求低、可靠性好的優(yōu)點。
具體實施例方式熔滲反應(yīng)燒結(jié)的碳化硅泡沫陶瓷孔徑為50PPi，組成為SiC， 13wt%Si及 1.5wt。/。雜質(zhì)，處理過程為(1) 將多孔陶瓷在1200。C下預(yù)氧化處理50小時，升溫速度為rC/min，在 泡沫陶瓷的泡沫筋表面形成Si02層，本實施例Si02層厚度為15,,氧化氣氛為 循環(huán)的純氧(純氧體積純度為99.99%)，流量為lL/min，并經(jīng)CaS04和？205干 燥；(2) 經(jīng)步驟(1)處理的碳化硅泡沫陶瓷，繼續(xù)在1200°C下的惰性氣氛中保 溫處理100個小時，然后以l°C/min的速度降至室溫，整個過程在經(jīng)CaS04和P20s 干燥的Ar氣(氬氣體積純度為99.99%)保護中進行，氣體流量為1 L/min。最終， 處理得到的材料的抗氧化溫度可提高到1400°C，并且該溫度下的抗氧化性能不低 于未處理桐.料在1000°C下的氧化性能。實施例2:與實施例1不同之處在于，熔滲反應(yīng)燒結(jié)的碳化硅泡沬陶瓷孔徑為30PPi， 組成為SiC， 15wt。/。Si及l(fā)wt。/。雜質(zhì)，處理過程為(1) 將多孔陶瓷在1300。C下預(yù)氧化處理10小時，升溫速度為2°C/min，在 泡沫陶瓷的泡沫筋表面形成Si02層，本實施例SiO2層厚度為20iam，氧化氣氛為 循環(huán)的純氧，流量為0.5L/min，并經(jīng)CaS04和P205干燥；(2) 經(jīng)步驟(1)處理的碳化硅泡沬陶瓷，繼續(xù)在1300°C下的惰性氣氛中保 溫處理50個小時，然后以2°C/min的速度降至室溫，整個過程在經(jīng)CaS04和P205 干燥的Ar氣保護中進行，氣體流量為0.5 L/min。最終，處理得到的桐'料的抗氧 化溫度可提高到B50。C，并且該溫度下的抗氧化性能不低于未處理材斜在IOO(TC 下的氧化性能。與實施例1不同之處在于，熔滲反應(yīng)燒結(jié)的碳化硅泡沫陶瓷孑L徑為10PPi， 組成為SiC， 5wtQ/oSi及0.8wtQ/。雜質(zhì)，處理過程為(1) 將多孔陶瓷在U50。C下預(yù)氧化處理80小時，升溫速度為1.5°C/min， 在泡沫陶瓷的泡沫筋表面形成Si02層，本實施例Si02層厚度為5pm，氧化氣氛 為循環(huán)的純氧，流量為lL/min，并經(jīng)CaS04和P20s干燥；(2) 經(jīng)步驟(1)處理的碳化硅泡沫陶瓷，繼續(xù)在115(TC下的惰性氣氛中保 溫處理150個小時，然后以1.5。C/min的速度降至室溫，整個過程在經(jīng)CaS04和 P205干燥的Ar氣保護中進行，氣體流量為lL/min。最終，處理得到的桐料的抗 氧化溫度可提高到140(TC，并且該溫度下的抗氧化性能不低于未處理材料在 1000。C下的氧化性能。實施例3:
權(quán)利要求
1、一種提高碳化硅泡沫陶瓷高溫抗氧化性能的表面改性方法，其特征在于(1)將碳化硅泡沫陶瓷在1150-1300℃下預(yù)氧化處理10-80小時；(2)經(jīng)步驟(1)處理的碳化硅泡沫陶瓷不經(jīng)降溫過程，換以清潔的惰性氣氛，繼續(xù)在1150-1300℃溫度下保溫處理50-150小時，然后緩慢冷卻至室溫。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高碳化硅泡沫陶瓷高溫抗氧化性能的表面改性方 法，其特征在于，所述步驟(1)中，碳化硅泡沫陶瓷在清潔的氧化氣氛中，在 1150-1300°C下預(yù)氧化處理10-80小時，使得泡沫陶瓷的泡沬筋表面生成一層致密 的Si02膜，Si02膜厚度為5-30jom。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高碳化硅泡沬陶瓷高溫抗氧化性能的表面改 性方法，其特征在于所述材料升溫速度不能過快，應(yīng)在2°C/min以下，氧化氣 體為高純氧，并經(jīng)干燥處理，流量為0.5-3L/min。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高碳化硅泡沫陶瓷高溫抗氧化性能的表面改性方 法，其特征在于所述清潔的惰性氣氛為經(jīng)干燥處理的高純Ar氣，緩慢冷卻指 降溫速度不高于2。C/min，流量為0.5-lL/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及泡沫陶瓷材料及材料表面改性領(lǐng)域，具體指一種用于提高碳化硅泡沫陶瓷高溫抗氧化性能的表面改性方法。該方法包括(1)將碳化硅泡沫陶瓷在1150-1300℃下預(yù)氧化處理10-80小時；(2)經(jīng)步驟(1)處理的碳化硅泡沫陶瓷不經(jīng)降溫過程，換以清潔的惰性氣氛，繼續(xù)在1150-1300℃溫度下保溫處理50-150小時，然后緩慢冷卻至室溫。本發(fā)明所述方法操作簡單、成本低廉、適應(yīng)性強，對原始材料狀態(tài)要求低、可靠性高，可應(yīng)用于各種孔徑的碳化硅泡沫陶瓷。
文檔編號C04B41/80GK101555161SQ20081001098
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者強 劉, 張勁松, 曹小明, 楊振明, 沖 田 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所