反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯及其制備方法，該反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯的制備方法包括以下步驟：a)將木質(zhì)纖維原料進行濕度調(diào)整，得到預(yù)定濕度的調(diào)濕后木質(zhì)纖維；b)將所述調(diào)木質(zhì)纖維在熱壓溫度下進行預(yù)熱，得到預(yù)熱的木質(zhì)纖維；c)將預(yù)熱的木質(zhì)纖維在所述熱壓溫度下進行熱壓，得到木質(zhì)素坯。根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯的制備方法，能夠獲得在整體上密度分布均勻的木質(zhì)素坯。
【專利說明】反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]反應(yīng)結(jié)合碳化硅是指用含碳化硅的起始成型碳坯滲硅制備的碳化硅，反應(yīng)形成碳化硅是以純碳作為素坯滲硅制得的碳化硅(SiC)。
[0003]目前反應(yīng)燒結(jié)碳化硅多是反應(yīng)結(jié)合碳化硅，首先將a-SiC與前軀體聚合物混合，制成碳化硅顆粒/樹脂基復(fù)合材料，然后熱解得到碳化硅/碳基復(fù)合材料；也可以a-SiC、碳粉為起始原料，采用壓制或注漿成型的工藝同樣可以得到碳化硅/碳基復(fù)合材料，對該復(fù)合材料進行液相或者氣相滲硅，硅與碳反應(yīng)生成β-SiC，得到以a-SiC和β-SiC為主要成分的陶瓷材料，其工藝過程簡單、成本較低，但是碳化硅晶粒大、自由硅含量高，且在素坯中容易出現(xiàn)碳粉及a -SiC粉的團聚，孔徑分布不均，陶瓷性能較低。
[0004]反應(yīng)形成碳化硅的工藝首先由Hucke提出(Hucke，1975)，多采用有機物制備多孔碳坯，其原理是將有機樹脂、孔形成劑和溶劑混合，通過工藝與配方調(diào)整較好的控制其孔隙結(jié)構(gòu)，滲硅后可以獲得微晶、高強度、高硬度的碳化硅陶瓷。在反應(yīng)形成碳化硅中，所有的SiC都是由C和Si反應(yīng)形成的β -SiC,結(jié)合強度高。但是，反應(yīng)形成碳化硅制備工藝目前存在如下幾個方面的問題:在碳化時素坯易開裂、較難獲得大尺寸制品；由于生成碳化硅的過程中反應(yīng)放熱，液相滲硅時可能產(chǎn)生局部高溫，使生成的碳化硅顆粒異常長大，或者β -SiC向a -SiC轉(zhuǎn)化，影響其力學(xué)性能。
[0005]用木質(zhì)材料碳化后得到的碳坯體制備反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷(即SiC木質(zhì)陶瓷)也是一個新的研究熱點(Chakrabarti et al.,2005)。
[0006]所謂碳化硅木質(zhì)陶瓷是反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的一種，其基本制備工藝可以分為木質(zhì)坯體制備、木材熱解/碳化和反應(yīng)滲硅。
[0007]木材的組成與結(jié)構(gòu)不僅決定著木材的力學(xué)行為,而且也影響著碳化娃木質(zhì)陶瓷的力學(xué)性能。碳坯的結(jié)構(gòu)對陶瓷結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響，如何制備具有理想結(jié)構(gòu)特征的木質(zhì)素坯是制備高性能碳化硅木制陶瓷的關(guān)鍵所在。作為一種天然材料，木材的結(jié)構(gòu)缺陷不可避免。目前比較成熟的木質(zhì)坯體的制備方法有:
[0008](I)將木材直接炭化成碳模板(Greil et al., 2001 ；Mallick et al., 2007 ；Ramboet al.,2005 ；Rambo et al.，2005)。此方法采用自然界生長的木材作為原料，它們很好地保留了木材的孔結(jié)構(gòu)特征，與傳統(tǒng)工藝利用化學(xué)方法制備的原料相比具有環(huán)保的優(yōu)勢，可直接用于滲硅。但是研究結(jié)果表明，由于木材本身密度低并且存在各向異性和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和成分，加之某些結(jié)構(gòu)缺陷的存在，會造成木質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)不均勻，力學(xué)性能不穩(wěn)定，可靠性低，所制備的碳化硅木質(zhì)陶瓷不具備實際應(yīng)用價值。
[0009](2)是直接將中密度纖維板用作坯體碳化(Berhard et al.，2006)。使用這種方法獲得的坯體結(jié)構(gòu)均一性得到提高，但由于獲得的碳坯密度低，所制備的陶瓷密度仍然偏低，力學(xué)性能不甚理想。[0010](3)將木粉無膠熱壓直接成坯炭化。該方法利用木材中木素的熱可塑性，成本低、無環(huán)境污染、低耗能、原料來源廣。該方法制備的具有均一密度分布的木質(zhì)素坯更符合高性能碳化硅木質(zhì)陶瓷的要求。
[0011](4)將木粉等木質(zhì)材料浸潰酚醛樹脂后干燥、預(yù)固化、制粒，并且壓制成形后進一步固化，再經(jīng)高溫碳化，制得碳模板(錢軍民等，2004)。此種采用木粉/樹脂基復(fù)合材料作為原料，可得到高密度的碳化硅木質(zhì)陶瓷，但原料體系引入的樹脂使坯體中局部碳含量高，導(dǎo)致燒結(jié)體中存在殘?zhí)?，限制了力學(xué)性能的進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。
[0013]為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯的制備方法。
[0014]本發(fā)明的另一個目的在于提出一種反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯。
[0015]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面實施例的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯的制備方法，包括以下步驟:
[0016]a)將木質(zhì)纖維原料進行濕度調(diào)整，得到預(yù)定濕度的調(diào)濕后木質(zhì)纖維；
[0017]b)將所述調(diào)濕后木質(zhì)纖維在熱壓溫度下進行預(yù)熱，得到預(yù)熱木質(zhì)纖維；
[0018]c)將所述預(yù)熱木質(zhì)纖維在所述熱壓溫度下進行熱壓，得到木質(zhì)素坯。 [0019]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述預(yù)定濕度為4~18%。
[0020]優(yōu)選地，所述預(yù)定濕度為6 %。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述熱壓溫度為130~180°C，優(yōu)選為145°C。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，預(yù)熱時間為10~30分鐘，優(yōu)選為15分鐘。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，熱壓在壓力1.5MPa~IOMPa下進行10~60分鐘。
[0024]根據(jù)本發(fā)明第二方面實施例的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯，根據(jù)權(quán)利要由上述任一實施例所述的制備方法制得。
[0025]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0027]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯的制備方法的工藝流程圖；
[0028]圖2是木質(zhì)纖維的SEM顯微照片；
[0029]圖3是木質(zhì)素坯的照片；
[0030]圖4是同一熱壓溫度和木纖維含水率條件下木纖維進行預(yù)熱和未預(yù)熱制備的木質(zhì)素坯VDP曲線；
[0031]圖5是以楊木纖維為原料時，熱壓溫度和含水率在三個水平上變化時的木質(zhì)素坯VDP曲線，其中:圖5(a)顯示了熱壓溫度為145°C條件下，濕度不同的木質(zhì)纖維制備得到的木質(zhì)素坯VDP曲線；圖5(b)顯示了熱壓溫度為165°C條件下濕度不同的木質(zhì)纖維制備得到的木質(zhì)素坯VDP曲線；圖5(c)顯示了熱壓溫度為185°C條件下濕度不同的木質(zhì)纖維制備得到的木質(zhì)素坯VDP曲線；
[0032]圖6顯示了不同素坯密度下的木質(zhì)素坯VDP曲線。
【具體實施方式】
[0033]下面詳細描述本發(fā)明的實施例。需要理解的是，下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0034]本研究是基于碳化硅陶瓷在新型材料領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景和碳化硅木質(zhì)陶瓷巨大的發(fā)展?jié)摿Χ_展的，結(jié)合木質(zhì)材料加工和陶瓷研究的相關(guān)成果，對防彈木質(zhì)陶瓷的制備工藝、結(jié)構(gòu)和性能展開研究，目的是為了實現(xiàn)高性能碳化硅木質(zhì)陶瓷的低成本制備。 [0035]本次研究直接采用楊木纖維為原料，經(jīng)無膠熱壓成型、碳化及液相滲硅制備了楊木纖維基碳化硅木質(zhì)陶瓷。優(yōu)化了熱壓工藝并獲得具有均一截面密度分布(VDP)和較高硬度的楊木纖維熱壓成型體；并且制定了碳化升溫程序，利用此程序制得多孔碳坯，并且通過壓汞法、氮氣吸附法、SEM和TEM等方法分析測試了此碳坯的顯微結(jié)構(gòu)和孔徑分布，研究了碳坯對反應(yīng)燒結(jié)工藝的適應(yīng)性；通過阿基米德排水法、XRD和SEM等方法對制備的碳化硅木質(zhì)陶瓷的密度、物相組成和顯微結(jié)構(gòu)等進行了測試分析，并初步評價了木纖維基碳化硅木質(zhì)陶瓷的力學(xué)性能(顯微硬度、抗彎強度和彈性模量)。
[0036]截面密度分布(VDP)
[0037]木材是一種熱塑性彈性體，既有塑性，又彈性，因此它在外力的作用下能夠變形而被壓實，外力卸除后又能恢復(fù)一部分形變。這種彈塑性又受材料溫度、含水率等因素的影響，而傳統(tǒng)的熱壓工藝必然帶來模具型腔中不同部位的木粉溫度和含水率的差異，即非均一溫度場和濕度場是不可避免的。所以熱壓成型體中出現(xiàn)非均一的密度分布，在高度方向上尤其明顯。密度是影響纖維板物理力學(xué)性質(zhì)和機械加工特性的重要物理量。
[0038]截面密度分布(Vertical Density Profile,縮寫VDP)也稱剖面密度分布、剖面密度梯度，是指木質(zhì)人造板在厚度方向上的密度變化。纖維板的截面密度分布，反映了在其厚度方向上密度的變化規(guī)律，是纖維板的重要結(jié)構(gòu)特征，也是影響其物理力學(xué)性能的重要因素(吳章康等，2001 ;王貴濤等，2005 ;張揚等，2008)。對于人造板來說，板材芯層密度低，表層密度高的馬鞍形的截面密度分布較為理想，這種制造工藝可以以較低的原料消耗獲得較高的板材性能。
[0039]對于木質(zhì)陶瓷的制備而言，微觀上具有均一密度分布特征的木質(zhì)素坯更符合制備高性能木質(zhì)陶瓷的要求，它包括截面密度均勻和平面密度分布均勻，平面密度分布通過控制加料工藝可以實現(xiàn)，但是截面密度須探索適合的熱壓成型工藝。
[0040]下面參考附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明實施例的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯及其制備方法。
[0041]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯的制備方法的流程圖。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯的制備方法包括以下步驟:
[0043]a)將木質(zhì)纖維原料進行濕度調(diào)整，得到預(yù)定濕度的木質(zhì)纖維；
[0044]b)將所述預(yù)定濕度的木質(zhì)纖維在熱壓溫度下進行預(yù)熱，得到預(yù)熱的木質(zhì)纖維；
[0045]c)將預(yù)熱的木質(zhì)纖維在所述熱壓溫度下進行熱壓，得到木質(zhì)素坯。[0046]其中，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述預(yù)定濕度為4~18%。
[0047]優(yōu)選地，所述預(yù)定濕度為6 %。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，所述熱壓溫度為130~180°C。
[0049]優(yōu)選地，所述熱壓溫度為145°C
[0050]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，預(yù)熱時間為10~30分鐘。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，熱壓在壓力1.5MPa~IOMPa下進行10~60分鐘。
[0052]1.試驗材料
[0053]木質(zhì)原料:楊木長纖維(長度0.5-L5mm)，取自柯諾(北京)地板有限公司。
[0054]楊木為我國北方常用木材，其質(zhì)較細軟，性穩(wěn)，價格低廉比較容易得到。它是一種速生豐產(chǎn)樹種，它具有適應(yīng)性廣、年生長期長、生產(chǎn)速度快等特點，我國得南方及北方均有廣泛的種植。
[0055]為了使其盡量克服木質(zhì)材料在結(jié)構(gòu)上的非均一性，將試驗用木纖維過60目篩網(wǎng)，得到尺度更為細小的。采用光學(xué)顯微鏡觀察楊木細纖維，得到的結(jié)果如圖2所示。
[0056]從圖2可以看出，楊木纖維的長度在10-300 μ m之間，纖維寬度在11_18μπι之間。
[0057]從原材料中取三份20g左右楊木纖維使用TDW系列溫度調(diào)節(jié)儀進行灰分測試，三次平均灰分含量為3.9%。此灰分含量值對試驗影響較小，因此此楊木纖維是比較合適的試驗材料。
[0058]2、試驗儀器及設(shè)備
[0059]熱壓實驗中所用到的設(shè)備如表1所示。
[0060]表1無膠熱壓試驗設(shè)備及儀器
[0061]
【權(quán)利要求】
1.一種反應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a)將木質(zhì)纖維原料進行濕度調(diào)整，得到預(yù)定濕度的調(diào)濕后木質(zhì)纖維； b)將所述調(diào)濕后木質(zhì)纖維在熱壓溫度下進行預(yù)熱，得到預(yù)熱木質(zhì)纖維； c)將預(yù)熱木質(zhì)纖維在所述熱壓溫度下進行熱壓，得到木質(zhì)素坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)定濕度為4~18%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)定濕度為6%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述熱壓溫度為130~180°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述熱壓溫度為145°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，預(yù)熱時間為10~30分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，預(yù)熱時間為15分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，熱壓在壓力1.5MPa~IOMPa下進行10~60分鐘。
9.一種反 應(yīng)燒結(jié)碳化硅用木質(zhì)素坯，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求1~8所述的制備方法制得。
【文檔編號】C04B35/565GK103848636SQ201210496770
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】高建民, 樊永明 申請人:北京林業(yè)大學(xué)