一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無機非金屬材料領域，涉及一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法。本發(fā)明以堿性硅溶膠與碳化硅陶瓷粉體球磨混合配制成碳化硅陶瓷水基懸浮料漿；加入表面活性劑，懸浮料漿經(jīng)攪拌發(fā)泡至設計倍率；再加入促凝劑，并攪拌均勻；將料漿注入非吸水模具中，堿性硅溶膠在促凝劑的作用下凝膠固化；脫模干燥后，將坯體滲入一定量的含C源的液體溶液；待溶劑揮發(fā)后，坯體經(jīng)高溫氬氣保護反應燒結(jié)制得多孔碳化硅陶瓷。該方法工藝簡單、設備要求低、孔徑分布均勻、孔隙率可控、污染少，可以工業(yè)化生產(chǎn)高氣孔率的多孔碳化硅陶瓷材料。
【專利說明】一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無機非金屬材料領域，涉及一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法。

【背景技術】
[0002]多孔碳化硅陶瓷具有良好的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性和較高的機械強度等優(yōu)點。利用泡沫陶瓷的均勻透過性，可以制造各種過濾器、分離裝置、流體分布元件、混合元件等；利用其發(fā)達的比表面積，可以制成各種多孔電極、催化劑載體、熱交換器等；其應用已經(jīng)遍及冶金、化工、環(huán)保、能源、生物、航空航天等各個部門。隨著材料學界的重視，這成為一個非?；钴S的研究領域。多孔碳化硅陶瓷的應用范圍仍在不斷的進一步發(fā)展，應用前景十分樂觀。
[0003]傳統(tǒng)的多孔碳化硅陶瓷的制備方法很多，如注漿法、造孔劑法、直接發(fā)泡法等。但是這些傳統(tǒng)制備多孔陶瓷的方法通常要加入大量的有機造孔劑及粘結(jié)劑，有機物在高溫裂解時產(chǎn)生大量的揮發(fā)物造成環(huán)境污染等問題，另外這些造孔劑價格高，損耗大，造成多孔碳化硅陶瓷的制備成本較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提出一種成本低、污染小的制備多孔碳化硅陶瓷的方法。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:制備的操作步奏如下:
[0006]準確稱取所需碳化硅陶瓷粉體，在碳化硅陶瓷粉體中分別加入陶瓷燒結(jié)助劑和堿性硅溶膠，其中堿性硅溶膠的加入量為碳化硅陶瓷粉體重量的20?80%，陶瓷燒結(jié)助劑的加入量為碳化娃陶瓷粉體重量的5?40%,混合后,放入球磨罐中,在滾筒磨或行星磨中充分球磨，形成陶瓷懸浮料漿，球磨時間為Ih?30h，球料比為1:1?5:1 ;出料后，加入表面活性劑，加入量為料漿重量的0.1?10%;料漿經(jīng)攪拌發(fā)泡，攪拌速度控制在500?4000r/min,攪拌時間控制在10?60min,之后加入水溶性銨鹽類引發(fā)劑,并攪拌I?5min ;將料漿注入非吸水模具中，靜置2?24小時凝膠；脫模取出凝膠體后，將多孔碳化硅坯體常溫自由干燥I?10天；將干燥完畢的多孔碳化硅坯體滲入含碳源的液體溶液，碳與硅溶膠中的娃摩爾比介于I?6之間，多孔碳化娃還體干燥完全后,將多孔碳化娃還體置于高溫気氣氣氛保護燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400?2200°C。
[0007]所述堿性硅溶膠的氧化硅含量在20?40%范圍內(nèi)。
[0008]碳化硅陶瓷粉中位徑d5(l介于0.2?Ιμπι之間，碳化硅燒結(jié)助劑為氧化鋁、氧化釔、堿式碳酸鎂、硼粉、氧化硼粉、碳化硼、碳粉、含碳高分子及它們的復合粉體。
[0009]銨鹽引發(fā)劑為下列物質(zhì)之一:過硫酸銨、氯化銨、丙烯酸銨、檸檬酸銨的水溶液；其濃度控制在I?20%之間。
[0010]表面活性劑為烷基苯磺酸鹽類陰離子型表面活性劑、植物蛋白類或動物蛋白類表面活性劑，以及各類復合型表面活性劑。
[0011]本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果是:本發(fā)明以堿性硅溶膠與碳化硅陶瓷粉體球磨混合配制成陶瓷水基懸浮料漿；加入表面活性劑，懸浮料漿經(jīng)攪拌發(fā)泡至設計倍率；再加入促凝劑，并攪拌均勻；將料漿注入非吸水模具中，堿性硅溶膠在促凝劑的作用下凝膠固化；脫模干燥后，將坯體滲入一定量的含碳源的液體溶液；待溶劑揮發(fā)后，坯體經(jīng)高溫反應燒結(jié)制得多孔碳化硅陶瓷材料。該方法工藝簡單、設備要求低、孔徑分布均勻、孔隙率可控、污染少，可以工業(yè)化生產(chǎn)高氣孔率的碳化硅多孔陶瓷材料。
[0012]本發(fā)明了提出一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法，集成了以下技術:硅溶膠的膠凝固化技術；水基懸浮陶瓷料漿的攪拌發(fā)泡技術；高溫碳熱反應合成碳化硅技術。該發(fā)明具有工藝簡單、設備要求低、孔徑分布均勻、孔隙率可控、污染少等優(yōu)點，可以工業(yè)化生產(chǎn)高氣孔率碳化硅陶瓷材料。

【具體實施方式】
[0013]下面對本發(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明集成了以下工藝技術:硅溶膠的膠凝固化技術；水基懸浮陶瓷料漿的攪拌發(fā)泡技術；氬氣保護下S12與C(摩爾比1:3)高溫碳熱反應合成碳化娃技術。
[0014]原理如下:含有表面活性劑的水基陶瓷料漿在攪拌機高速攪拌下，形成泡沫碳化硅陶瓷料漿；含有堿性硅溶膠的水基陶瓷泡沫料漿在滴入NH4C1、檸檬酸銨、過硫酸銨、丙烯酸銨等的堿性水溶液后，發(fā)生凝膠固化反應；硅溶膠中納米氧化硅在高溫氬氣保護下與C發(fā)生碳熱還原反應生成碳化硅。
[0015]S12 (g)+C (g) = SiC(g)+C0(g)
[0016]上述多一種孔碳化硅陶瓷制備方法的操作步奏如下:
[0017](I)配料:根據(jù)所需的成份配比，準確稱量所需碳化硅陶瓷粉體及燒結(jié)助劑，稱取堿性硅溶膠，堿性硅溶膠特征為氧化硅含量在20?40%范圍內(nèi)，堿性硅溶膠稱取量占陶瓷粉體含量的20?80% ;陶瓷粉特征適用于:碳化娃粉體粒徑要求0.2?Ium范圍內(nèi)；碳化硅燒結(jié)助劑為氧化鋁、氧化釔、堿式碳酸鎂、硼粉、氧化硼粉、碳化硼、碳粉、含碳高分子及它們的復合粉體；
[0018](2)混合:將碳化硅粉體及陶瓷燒結(jié)助劑與硅溶膠混合物放入球磨罐中，在滾筒磨或行星磨中充分球磨，形成水基懸浮陶瓷料漿。球料比介于1:1?5:1之間，球磨時間介于Ih?30h范圍內(nèi)；
[0019](3)加入表面活性劑:懸浮陶瓷料漿經(jīng)過充分混合出料后，加入表面活性劑，加入量為料漿重量的0.1?10% ;表面活性劑特征為烷基苯磺酸鹽類陰離子型表面活性劑發(fā)泡齊U，植物蛋白類或動物蛋白類發(fā)泡劑，以及各類復合型發(fā)泡劑，可根據(jù)所需發(fā)泡率和對泡沫穩(wěn)定性的要求選用；
[0020](4)料漿攪拌發(fā)泡:懸浮陶瓷料漿經(jīng)高速攪拌發(fā)泡，攪拌速度控制在500?4000r/min范圍內(nèi)，攪拌時間控制在10?60min范圍內(nèi)；
[0021](5)加入引發(fā)劑:將上述水基泡沫陶瓷料漿加入水溶性銨鹽類引發(fā)劑，并攪拌I?5min。銨鹽引發(fā)劑可以為下列物質(zhì)之一:過硫酸銨、氯化銨、檸檬酸銨、丙烯酸銨等的水溶液，其濃度在I?20%范圍內(nèi)；
[0022](6)澆注、脫模、干燥:將上述碳化硅陶瓷泡沫料漿注入非吸水模具中，靜置2?24小時；脫模取出凝泡沫陶瓷坯體后，將坯體放置于上下通透的篩網(wǎng)上常溫自由干燥I?10天;
[0023](7)滲碳:將干燥完畢的多孔碳化硅陶瓷坯體滲入含碳源的液體溶液；滲碳工藝所需碳源可以為下列物質(zhì)中的一種:酚醛的丙酮溶液、蔗糖的水溶液、碳素墨水等，要求碳與硅溶膠中硅的摩爾比介于I?6之間。
[0024](8)燒結(jié):坯體干燥完全后，將多孔碳化硅凝膠體置于高溫氬氣保護燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)。燒結(jié)過程分為兩個階段:碳熱還原反應階段，反應溫度介于1450°C?1600°C之間，保溫I?4h ;高溫燒結(jié)階段，燒結(jié)溫度介于1600?2200°C范圍內(nèi)。
[0025]實施例1
[0026]將250g平均粒徑為0.5 μ m的碳化硅陶瓷粉體和B4C粉體6g，硅溶膠(氧化硅含量20% ) 120ml導入球磨罐中，料漿經(jīng)滾筒磨20h球磨混合，形成懸浮陶瓷料漿；出料后，量取氮化硅陶瓷料漿150ml于800ml量程的燒杯中，加入表面活性劑氧化酰胺2g ;料漿經(jīng)1500r/min攪拌發(fā)泡至500ml ;滴入氯化銨水溶液(10% ) Iml,攪拌2min后注入玻璃模具；10小時后泡沫料漿凝膠固化；脫模后將坯體放置于篩網(wǎng)上自由干燥10天；將200g濃度為15%的酚醛(高溫殘?zhí)悸?0% )與丙酮混合溶液滲入多孔碳化硅坯體中；丙酮溶劑揮發(fā)后，將多孔碳化硅陶瓷坯體置于氬氣保護爐中于2100°C煅燒3h燒結(jié)，得到氣孔率約為60%的多孔碳化硅陶瓷。
【權利要求】
1.一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征是，準確稱取所需碳化硅陶瓷粉體，在碳化硅陶瓷粉體中分別加入陶瓷燒結(jié)助劑和堿性硅溶膠，其中堿性硅溶膠的加入量為碳化硅陶瓷粉體重量的20?80%,陶瓷燒結(jié)助劑的加入量為碳化娃陶瓷粉體重量的5?40%,混合后，放入球磨罐中，在滾筒磨或行星磨中充分球磨，形成碳化硅陶瓷懸浮料漿，球磨時間為Ih?30h，球料比為1:1?5:1 ;出料后，加入表面活性劑，加入量為料漿重量的0.1?10%;料衆(zhòng)經(jīng)攪拌發(fā)泡，攪拌速度控制在500?4000r/min,攪拌時間控制在10?60min,之后加入水溶性銨鹽類引發(fā)劑，并攪拌I?5min ;將料漿注入非吸水模具中，靜置2?24小時凝膠；脫模取出凝膠體后，將多孔碳化硅坯體常溫自由干燥I?10天；將干燥完畢的多孔碳化硅坯體滲入含碳源的液體溶液，碳與硅溶膠中的硅摩爾比介于I?6之間，多孔碳化硅坯體干燥完全后，將多孔碳化硅坯體置于高溫氬氣氣氛保護燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為 1400—2200°C。
2.權利要求書I所述的一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征是，所述堿性硅溶膠的氧化硅含量在20?40%范圍內(nèi)。
3.權利要求書I所述的一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征是:碳化硅陶陶瓷粉中位徑d5(l介于0.2?I μ m之間，碳化硅燒結(jié)助劑為氧化鋁、氧化釔、堿式碳酸鎂、硼粉、氧化硼粉、碳化硼、碳粉、含碳高分子及它們的復合粉體。
4.權利要求書I所述的一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征是，碳化硅陶瓷坯體要滲入一定量的碳或者含碳的高分子，碳源為下列物質(zhì)中的一種:酚醛溶液、蔗糖溶液、碳素墨水。
5.權利要求書I所述的一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征是，銨鹽引發(fā)劑為下列物質(zhì)之一:過硫酸銨、氯化銨、丙烯酸銨、檸檬酸銨水溶液；其濃度控制在I?20%之間。
6.權利要求書I所述的一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征是，表面活性劑為烷基苯磺酸鹽類陰離子型表面活性劑、植物蛋白類或動物蛋白類表面活性劑，以及各類復合型表面活性劑。
【文檔編號】C04B35/63GK104402446SQ201410602576
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權日:2014年10月31日
【發(fā)明者】李寶偉, 王嶺, 焦春榮, 焦建, 張冰玉 申請人:中航復合材料有限責任公司