專利名稱：一種纖維增強型碳化硅多孔陶瓷及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于多孔陶瓷過濾支撐體的技術領域，涉及高溫過濾支撐體用碳化硅多孔陶瓷的制法，更具體的說是一種提高高溫過濾支撐體用碳化硅多孔陶瓷抗彎強度的方法。
背景技術：
碳化硅具有非常高的熔點、抗彎強度、斷裂韌性和熱導率，同時具有較低的熱膨脹系數(shù)和密度。所以碳化硅是一種高溫強度好、抗熱震性強、導熱性好且耐腐蝕的陶瓷材料。碳化硅被廣泛應用于高溫爐襯、火箭噴管和燃氣輪機葉片熱障涂層等領域。以碳化硅為主要原料制成的碳化硅多孔陶瓷管材同樣具有高強度、耐高溫、耐腐蝕的特性，被廣泛應用于煤化工、火電廠以及各種高溫除塵技術領域。用小粒徑SiC為原料并用造孔劑造出大氣孔的碳化硅多孔陶瓷存在孔隙連通度不足或氣孔孔徑較小的問題，這致使其氣體滲透率較低。而高溫氣體過濾除塵要求多孔陶瓷要具有高的氣體滲透率。因此，可以采用大粒徑的碳化硅粉料為原料，并加入含量和尺寸合適的造孔劑來提高碳化硅多孔陶瓷氣孔孔徑和氣孔率，從而提高其滲透率。該發(fā)明采用了平均粒徑為230 μ m的較大粒徑的碳化硅作為原料。同時多孔陶瓷較低的 韌性限制了它的應用。因此，人們?yōu)榱颂岣叨嗫滋沾身g性進行了大量的研究。陶瓷纖維因為具有較高的彈性模量和強度可以用來達到提高多孔陶瓷韌性的目的，莫來石纖維就是一種具有高彈性模量、高溫性能穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)的陶瓷纖維，其使用溫度在1500°C _1700°C，被廣泛應用于陶瓷復合材料基體的增韌中。纖維增韌的主要機理有:纖維拔出、纖維脫粘、裂紋偏轉和橋聯(lián)增韌等。其中纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維拔出會使裂紋尖端應力松弛，從而減緩了裂紋的擴展。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌作用；纖維脫粘是指復合材料在纖維脫粘后產生了新的表面，因此需要消耗能量；裂紋偏轉是指裂紋尖端效應，指裂紋擴展過程中當裂紋遇上偏轉元(如增強相、界面等)時所發(fā)生傾斜和偏轉；橋聯(lián)增韌是指對于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉，只能沿著原來的擴展方向繼續(xù)擴展。這時緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋，使兩岸連在一起。在裂紋表面產生一個壓應力，以抵消外加應力的作用，從而使裂紋難以進一步擴展，起到增韌作用。該發(fā)明就是運用了纖維拔出、纖維脫粘、裂紋偏轉和橋聯(lián)增韌機理，使用莫來石纖維來提高碳化硅多孔陶瓷的韌性以用于高溫氣體除塵等技術領域。纖維補強增韌SiC基陶瓷復合材料以其低密度、高強度、高韌性以及優(yōu)異的耐高溫和抗氧化性能在高溫熱結構方面得到廣泛應用。與目前使用的耐高溫鈮合金相比，其突出優(yōu)點在于質量輕，比金屬減重50%以上；燒蝕率小，可重復使用等。對于纖維增強型復合材料，纖維在基體配料中能否均勻分散是制備過程的重點和難點，也是纖維能否在基體中起到增韌作用的關鍵因素。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提高碳化硅多孔陶瓷的抗彎強度，制備出韌性較高的過濾支撐體用碳化硅多孔陶瓷。本發(fā)明通過多次的實驗發(fā)現(xiàn)，在碳化硅陶瓷混合配料中加入一定量的莫來石纖維能夠很好的提高碳化硅多孔陶瓷的抗彎強度。并且最終得到的碳化硅多孔陶瓷樣品仍具有較高的氣孔率和良好的抗熱震裂性，為此完成了本發(fā)明。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下的技術方案:
一種纖維增強型碳化硅多孔陶瓷，其特征在于它是由下述重量份數(shù)的原料組成: 陶瓷粘結劑1莫來石纖維漿料1-3
平均粒徑約為230 μ m碳化硅顆粒8
造孔劑1 ;
所述的莫來石纖維衆(zhòng)料指的是由20% (w/w)莫來石纖維；80% (w/w)羧甲基纖維素鈉溶液原料組成；所述的造孔劑指的是由50% (w/w)石墨和50% (w/w)活性炭組成；
所述的陶瓷粘結劑指的是鉀長石64.53%、高嶺土 12.20%和石英23.27%組成。本發(fā)明所述纖維增強型碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于按如下的步驟進行:
(1)莫來石纖維漿料的配制:
a)將4g羧甲基纖維素鈉與足量的去離子水加熱攪拌，煮沸直至溶液總重量為200g，得到2%的羧甲基纖維素鈉溶液；
b)然后將40g的莫來石纖維分5-8次加入到CMC溶液中，邊加入邊加熱攪拌,使莫來石纖維初步分散開來制成混合漿料；
c)將混合漿料與磨球混合，在280轉/分的轉速下球磨5—8分鐘得到均勻的莫來石纖維漿料；其中混合漿料與磨球的質量比為1:1.5 ;
(2)含莫來石纖維的碳化硅多孔陶瓷的制備
a)先將陶瓷粘結劑(成分是鉀長石64.53%、高嶺土 12.20%和石英23.27%)和莫來石纖維漿料混合均勻，然后加入平均粒徑約為230 μ m的碳化硅顆粒，并攪拌混合均勻后放到80°C的烘箱中烘2小時；
b)在上一步得到的混合配料再加入石墨和活性炭作為造孔劑，并攪拌混合均勻；
c)用電動壓片機把最終得到的混合配料在3MPa的成型壓力下壓成碳化硅多孔陶瓷坯體，然后在1300°C的溫度下燒結得到含莫來石纖維的碳化硅多孔陶瓷；
本發(fā)明更加詳細的制備方法如下:
(1)莫來石纖維漿料的配制:
(a)將4g羧甲基纖維素鈉(CMC)與足量的去離子水在加熱攪拌煮沸直至溶液總重量為200g，得到2%的羧甲基纖維素鈉溶液。(根據需要可以加入不同量的羧甲基纖維素鈉，但最終配制的羧甲基纖維素鈉溶液的濃度為2%)
(b)然后將40g的莫來石纖維分少量多次(5-8次)加入到CMC溶液中，邊加入邊加熱攪拌，使莫來石纖維初步分散開來。(根據需要可以加入不同量的莫來石纖維，但每100ml2%的羧甲基纖維素鈉溶液中需加入20g的莫來石纖維)(C)由于在上一步中莫來石纖維分散的不夠均勻，可以將此不太均勻的混合漿料進行近一步的球磨分散。其中混合漿料與磨球的質量比為1:1.5，且使用大小不一的磨球，在280轉/分的轉速下球磨5— 8分鐘得到均勻的莫來石纖維漿料。(2)含莫來 石纖維的碳化硅多孔陶瓷的制備:
(a)先將陶瓷粘結劑(主要成分是鉀長石、高嶺土和石英)和莫來石纖維漿料按1:3的質量比混合均勻，然后加入平均粒徑約為230 μ m的碳化硅顆粒，并攪拌混合均勻后放到80°C的烘箱中烘2小時左右至半干，其中每隔二十分鐘左右拿出來攪拌以保證碳化硅顆粒與粘結劑和莫來石纖維混合均勻。莫來石纖維在粘結劑和碳化硅顆粒之間分散均勻是關鍵步驟，用上述方法和步驟來分散莫來石纖維是本發(fā)明的關鍵所在。(b)在上一步得到的半干混合配料中再加入石墨和活性炭作為造孔劑，并攪拌混合均勻。這兩步中所用的碳化硅顆粒、陶瓷粘結劑和造孔劑的質量比為8:1:1。(C)用電動壓片機把最終得到的混合配料在3MPa的成型壓力下壓成若干個長為5cm、寬為1cm、厚為0.5cm的長方體碳化娃多孔陶瓷還體，然后在1300°C的溫度下燒結得到含莫來石纖維的碳化硅多孔陶瓷樣品，燒結曲線如

圖1所示。其制備的原理在于:使用燒結法制備碳化硅多孔陶瓷，以SiC (碳化硅)顆粒為主要原料，通過顆粒堆積和加入造孔劑的成孔方法獲得多孔結構，并加入陶瓷粘結劑使得碳化硅顆粒之間能夠有效的連接在一起。配料經壓制成型后，在空氣氣氛中于1300°C燒結得到SiC多孔陶瓷。針對碳化硅多孔陶瓷抗彎強度較低的缺陷，在碳化硅多孔陶瓷基體中加入莫來石纖維以得到抗彎強度較高的碳化硅多孔陶瓷。本發(fā)明進一步公開了纖維增強型碳化硅多孔陶瓷在制備提高碳化硅多孔陶瓷的韌性方面的應用。本發(fā)明的主要內容在于制備纖維增強型碳化硅多孔陶瓷，制得抗彎強度較高碳化硅多孔陶瓷以應用于高溫氣體除塵過濾用支撐體。特別是應用在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術的煤炭凈化部分。特點在于首先配制了均勻的莫來石纖維漿料，使得莫來石纖維漿料與粘結劑以及較大粒徑碳化硅顆?；旌蠒r莫來石纖維能夠均勻地分散開來而不團聚，在陶瓷基體中起到良好的增韌作用。使用設備為:電動壓片機、高溫燒結爐、抗彎強度測試儀。本發(fā)明采用的化學藥劑如下:
權利要求
1.一種纖維增強型碳化硅多孔陶瓷，其特征在于它是由下述重量份數(shù)的原料組成:陶瓷粘結劑1莫來石纖維漿料1-3 平均粒徑約為230 μ m碳化硅顆粒8造孔劑1 ; 所述的莫來石纖維衆(zhòng)料指的是由20% (w/w)莫來石纖維；80% (w/w)羧甲基纖維素鈉溶液原料組成；所述的造孔劑指的是由50% (w/w)石墨和50% (w/w)活性炭組成； 所述的陶瓷粘結劑指的是鉀長石64.53%、高嶺土 12.20%和石英23.27%組成。
2.權利要求1所述纖維增強型碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于按如下的步驟進行: (1)莫來石纖維漿料的配制: a)將4g羧甲基纖維素鈉與足量的去離子水加熱攪拌，煮沸直至溶液總重量為200g，得到2%的羧甲基纖維素鈉溶液； b)然后將40g的莫來石纖維分5-8次加入到CMC溶液中，邊加入邊加熱攪拌，使莫來石纖維初步分散開來制成混合漿料； c)將混合漿料與磨球混合，在280轉/分的轉速下球磨5—8分鐘得到均勻的莫來石纖維漿料；其中混合漿料與磨球的質量比為1: 1.5； (2)含莫來石纖維的碳化硅多孔陶瓷的制備 a)先將陶瓷粘結劑和莫來石纖維漿料混合均勻，然后加入平均粒徑約為230μ m的碳化硅顆粒，并攪拌混合均勻后放到80°C的烘箱中烘2小時；b)在上一步得到的混合配料再加入石墨和活性炭作為造孔劑，并攪拌混合均勻； c)用電動壓片機把最終得到的混合配料在3MPa的成型壓力下壓成碳化硅多孔陶瓷坯體，然后在1300°C的溫度下燒結得到含莫來石纖維的碳化硅多孔陶瓷； 所述的陶瓷粘結劑成分是鉀長石64.53%、高嶺土 12.20%和石英23.27%。
3.權利要求1所述纖維增強型碳化硅多孔陶瓷在制備提高碳化硅多孔陶瓷的韌性方面的應用。
4.權利要求1所述纖維增強型碳化硅多孔陶瓷在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的煤炭凈化方面的應用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種纖維增強型碳化硅多孔陶瓷，它是陶瓷粘結劑1份，莫來石纖維漿料1-3份，平均粒徑約為230μm碳化硅顆粒8份，造孔劑1份組成。其制備方法是首先配制了均勻的莫來石纖維漿料，使得莫來石纖維漿料與粘結劑以及較大粒徑碳化硅顆粒混合時莫來石纖維能夠均勻地分散開來而不團聚，在陶瓷基體中起到良好的增韌作用。本發(fā)明進一步公開了纖維增強型碳化硅多孔陶瓷在制備提高碳化硅多孔陶瓷的韌性方面的應用。
文檔編號C04B35/565GK103086732SQ201310020058
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權日2013年1月21日
發(fā)明者鄧湘云, 孫揚善, 王傳方, 王依山, 付衛(wèi)國, 李德軍, 李建保 申請人:天津師范大學