本發(fā)明屬于多孔碳化鈦陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用泡沫浸漬-高溫?zé)Y(jié)制備多孔碳化鈦陶瓷的方法。

背景技術(shù)：

多孔陶瓷具有多孔材料的孔隙率高、比重低、比表面積大、比強(qiáng)度高、滲透性好、吸附性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有陶瓷材料的硬度高、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)。因此可用作催化劑載體、過(guò)濾裝置、生物反應(yīng)器、熱交換器、氣體傳感器、氣體分離器、熱絕緣體、電容器、吸收劑、模具和外科植入物等，在環(huán)境保護(hù)、能源化工、航空航天及生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；碳化鈦具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐磨損以及導(dǎo)電性等基本特征。因此多孔碳化鈦陶瓷兼具了二者的特點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于凈化水質(zhì)、催化劑載體或生物反應(yīng)器、制備陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料等方面。同時(shí)，碳化鈦陶瓷在整形外科上的應(yīng)用可以促進(jìn)人體的骨整合，表明多孔碳化鈦陶瓷具有良好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

但是到目前為止，國(guó)內(nèi)外關(guān)于多孔碳化鈦陶瓷的研究方法還相對(duì)較少，而現(xiàn)有辦法中也存在諸多問(wèn)題。模板法需要碳化模板，再進(jìn)行浸滲反應(yīng)，過(guò)程復(fù)雜；自蔓延高溫合成法過(guò)程不易控制；聚氨酯泡沫浸漬法加入了貴金屬鉬，或易氧化的金屬鈦。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種采用泡沫浸漬-高溫?zé)Y(jié)制備多孔碳化鈦陶瓷的方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)，由該方法制備的多孔碳化鈦陶瓷具有三維立體網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，組織形態(tài)良好。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種采用泡沫浸漬-高溫?zé)Y(jié)制備多孔碳化鈦陶瓷的方法，包括以下步驟：

步驟一，聚氨酯泡沫的腐蝕處理：將聚氨酯泡沫浸泡在氫氧化鈉水溶液中進(jìn)行腐蝕，一段時(shí)間后，取出聚氨酯泡沫用蒸餾水清洗，然后進(jìn)行烘干、備用；

步驟二，混合溶液的配置及攪拌：以聚乙烯醇水溶液為溶劑，TiC-Ni-C粉末為溶質(zhì)配制混合溶液，TiC-Ni-C粉末包括碳化鈦粉末、鎳粉和石墨粉，且質(zhì)量含量分別為(49％～89％)、(10％～50％)和1％，將配制好的混合溶液用恒溫水浴磁力攪拌機(jī)攪拌；

步驟三，真空浸漬及干燥：將所述步驟一腐蝕處理過(guò)后的聚氨酯泡沫浸入步驟二得到的混合溶液中，然后放入真空設(shè)備中，在真空條件下浸漬30min，然后將經(jīng)過(guò)真空浸漬處理的聚氨酯泡沫進(jìn)行干燥；

步驟四，燒結(jié)：將所述步驟三得到的聚氨酯泡沫在真空環(huán)境下燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中，控制煅燒設(shè)備的控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備以每分鐘5℃±0.1℃的升溫速率升溫至400℃±20℃，然后調(diào)節(jié)煅燒設(shè)備控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備以每分鐘1℃～2℃的速率升溫至800℃±20℃，調(diào)節(jié)煅燒設(shè)備控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備在800℃±10℃下保溫1h～2h，去除聚氨酯泡沫；接著，調(diào)節(jié)煅燒設(shè)備控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備以每分鐘5℃±0.1℃的升溫速率升溫至900℃±5℃，調(diào)節(jié)煅燒設(shè)備控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備在900℃±5℃保溫為0.5h～1h；再調(diào)節(jié)煅燒設(shè)備控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備以每分鐘5℃±0.1℃的升溫速率升溫至1200℃±10℃，調(diào)節(jié)煅燒設(shè)備控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備在1200℃±10℃保溫0.5h～1h；然后調(diào)節(jié)煅燒設(shè)備控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備升溫到1450℃～1600℃，并在1450℃～1600℃燒結(jié)溫度下保溫0.5h～3h；燒結(jié)完畢后，對(duì)煅燒設(shè)備進(jìn)行降溫，降溫過(guò)程中，控制煅燒設(shè)備的控制開關(guān)，使煅燒設(shè)備在1200℃±10℃、900℃±5℃和400℃±20℃分別保溫0.5h～1h，然后，關(guān)閉煅燒設(shè)備加熱開關(guān)，爐冷至室溫得到多孔碳化鈦陶瓷。

進(jìn)一步限定，所述聚氨酯泡沫孔徑為1mm～8mm，這樣的設(shè)計(jì)，可以得到孔隙率較好的多孔碳化鈦陶瓷，且對(duì)TiC-Ni-C粉末的吸附性較好。

進(jìn)一步限定，所述步驟一中氫氧化鈉水溶液中氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％，這樣的設(shè)計(jì)，對(duì)聚氨酯泡沫的腐蝕效果較好。

進(jìn)一步限定，所述步驟一中聚氨酯泡沫在氫氧化鈉水溶液中浸泡的時(shí)間為0.5h～2h，浸泡溫度為60℃，這樣的設(shè)計(jì)，可以對(duì)聚氨酯泡沫的腐蝕更加徹底。

進(jìn)一步限定，所述步驟二中聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％，這樣的設(shè)計(jì)，可以使TiC-Ni-C粉末在聚乙烯醇水溶液中混合更加均勻。

進(jìn)一步限定，所述步驟二中混合液中TiC-Ni-C粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％～60％，這樣的設(shè)計(jì)，可以有足夠多的TiC-Ni-C粉末被吸附，并且混合液中TiC-Ni-C粉末的沉降速度較慢。

進(jìn)一步限定，所述步驟二中用恒溫水浴磁力攪拌機(jī)的攪拌時(shí)間為2h～4h，這樣的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)，可以使TiC-Ni-C粉末的在聚乙烯醇水溶液中混合更加均勻。

進(jìn)一步限定，所述步驟三中聚氨酯泡沫的干燥溫度為78℃～82℃，這樣的設(shè)計(jì)，干燥效率較高，溫度較安全，且不會(huì)使聚氨酯泡沫變質(zhì)。

進(jìn)一步限定，所述步驟三中聚氨酯泡沫的干燥時(shí)間為6h～8h，這樣的設(shè)計(jì)，可以使聚氨酯泡沫完全干燥。

進(jìn)一步限定，所述步驟四中煅燒設(shè)備為真空碳爐管，這樣的設(shè)計(jì)，煅燒效果好，得到的多孔碳化鈦陶瓷性能較好。

采用上述技術(shù)方案的發(fā)明，

本發(fā)明的有益效果：

1、以碳化鈦粉末、鎳粉和石墨粉為原料，該方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，易于推廣應(yīng)用；

2、以聚氨酯泡沫為模板，因此制備的多孔碳化鈦陶瓷孔徑可控，孔隙率高，孔結(jié)構(gòu)為三維網(wǎng)狀通孔結(jié)構(gòu)；

3、根據(jù)不同的含量金屬鎳的添加，可以制備出不同孔隙率、抗壓強(qiáng)度的多孔碳化鈦陶瓷。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明可以通過(guò)附圖給出的非限定性實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明；

圖1為本發(fā)明一種采用泡沫浸漬-高溫?zé)Y(jié)制備多孔碳化鈦陶瓷的方法實(shí)施例一所制備的多孔碳化鈦陶瓷的宏觀形貌(其中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％)；

圖2為本發(fā)明一種采用泡沫浸漬-高溫?zé)Y(jié)制備多孔碳化鈦陶瓷的方法實(shí)施例三所制備的多孔碳化鈦陶瓷的宏觀形貌(其中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％)；

圖3為本發(fā)明一種采用泡沫浸漬-高溫?zé)Y(jié)制備多孔碳化鈦陶瓷的方法實(shí)施例三所制備的多孔碳化鈦陶瓷的微觀形貌(其中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％)。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例一

步驟一，聚氨酯泡沫的腐蝕處理：將聚氨酯泡沫浸泡溫度為60℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的氫氧化鈉水溶液中進(jìn)行腐蝕，0.5h后，取出聚氨酯泡沫用蒸餾水清洗，然后進(jìn)行烘干、備用；

步驟二，混合溶液的配置及攪拌：以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％的聚乙烯醇水溶液為溶劑，TiC-Ni-C粉末為溶質(zhì)配制TiC-Ni-C粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％的混合溶液，TiC-Ni-C粉末包括碳化鈦粉末、鎳粉和石墨粉，其中質(zhì)量含量分別為89％、10％和1％，將配制好的混合溶液用恒溫水浴磁力攪拌機(jī)攪拌2h；

步驟三，真空浸漬及干燥：將所述步驟一腐蝕處理過(guò)后的聚氨酯泡沫浸入步驟二得到的混合溶液中，然后放入真空設(shè)備中，在真空條件下浸漬30min，然后將經(jīng)過(guò)真空浸漬處理的聚氨酯泡沫在溫度為80℃時(shí)干燥6小時(shí)；

步驟四，燒結(jié)：將所述步驟三得到的聚氨酯泡沫在真空環(huán)境下燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中，控制真空碳爐管的控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘4.9℃的升溫速率升溫至380℃，然后調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘2℃的速率升溫至810℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在810℃下保溫1h，去除聚氨酯泡沫；接著，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘5℃的升溫速率升溫至900℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在900℃保溫為0.5h；再調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘5℃的升溫速率升溫至1200℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在1200℃保溫0.5h；然后調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管升溫到1450℃，并在1450℃燒結(jié)溫度下保溫0.5h；燒結(jié)完畢后，對(duì)真空碳爐管進(jìn)行降溫，降溫過(guò)程中，控制真空碳爐管的控制開關(guān)，使真空碳爐管在1200℃、900℃和600℃分別保溫0.5h，然后，關(guān)閉真空碳爐管加熱開關(guān)，爐冷至室溫得到多孔碳化鈦陶瓷。

實(shí)施例二

步驟一，聚氨酯泡沫的腐蝕處理：將聚氨酯泡沫浸泡溫度為60℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的氫氧化鈉水溶液中進(jìn)行腐蝕，0.5h后，取出聚氨酯泡沫用蒸餾水清洗，然后進(jìn)行烘干、備用；

步驟二，混合溶液的配置及攪拌：以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％的聚乙烯醇水溶液為溶劑，TiC-Ni-C粉末為溶質(zhì)配制TiC-Ni-C粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60％的混合溶液，TiC-Ni-C粉末包括碳化鈦粉末、鎳粉和石墨粉，其中質(zhì)量含量分別為69％、30％和1％，將配制好的混合溶液用恒溫水浴磁力攪拌機(jī)攪拌4h；

步驟三，真空浸漬及干燥：將所述步驟一腐蝕處理過(guò)后的聚氨酯泡沫浸入步驟二得到的混合溶液中，然后放入真空設(shè)備中，在真空條件下浸漬30min，然后將經(jīng)過(guò)真空浸漬處理的聚氨酯泡沫在溫度為82℃時(shí)干燥8小時(shí)；

步驟四，燒結(jié)：將所述步驟三得到的聚氨酯泡沫在真空環(huán)境下燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中，控制真空碳爐管的控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘5.1℃的升溫速率升溫至420℃，然后調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘1.5℃的速率升溫至820℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在820℃下保溫1h，去除聚氨酯泡沫；接著，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘4.9℃的升溫速率升溫至905℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在905℃保溫為1h；再調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘5℃的升溫速率升溫至1210℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在1210℃保溫1h；然后調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管升溫到1600℃，并在1600℃燒結(jié)溫度下保溫3h；燒結(jié)完畢后，對(duì)真空碳爐管進(jìn)行降溫，降溫過(guò)程中，控制真空碳爐管的控制開關(guān)，使真空碳爐管在1200℃、900℃和600℃分別保溫1h，然后，關(guān)閉真空碳爐管加熱開關(guān)，爐冷至室溫得到多孔碳化鈦陶瓷。

實(shí)施例三

步驟一，聚氨酯泡沫的腐蝕處理：將聚氨酯泡沫浸泡溫度為60℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％的氫氧化鈉水溶液中進(jìn)行腐蝕，2h后，取出聚氨酯泡沫用蒸餾水清洗，然后進(jìn)行烘干、備用；

步驟二，混合溶液的配置及攪拌：以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％的聚乙烯醇水溶液為溶劑，TiC-Ni-C粉末為溶質(zhì)配制TiC-Ni-C粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55％的混合溶液，TiC-Ni-C粉末包括碳化鈦粉末、鎳粉和石墨粉，其中質(zhì)量含量分別為49％、50％和1％，將配制好的混合溶液用恒溫水浴磁力攪拌機(jī)攪拌3h；

步驟三，真空浸漬及干燥：將所述步驟一腐蝕處理過(guò)后的聚氨酯泡沫浸入步驟二得到的混合溶液中，然后放入真空設(shè)備中，在真空條件下浸漬30min，然后將經(jīng)過(guò)真空浸漬處理的聚氨酯泡沫在溫度為80℃時(shí)干燥8小時(shí)；

步驟四，燒結(jié)：將所述步驟三得到的聚氨酯泡沫在真空環(huán)境下燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中，控制真空碳爐管的控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘5℃的升溫速率升溫至420℃，然后調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘2℃的速率升溫至800℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在800℃下保溫1h，去除聚氨酯泡沫；接著，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘5℃的升溫速率升溫至905℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在905℃保溫為1h；再調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管以每分鐘5℃的升溫速率升溫至1200℃，調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管在1200℃保溫0.5h；然后調(diào)節(jié)真空碳爐管控制開關(guān)，使真空碳爐管升溫到150℃，并在1500℃燒結(jié)溫度下保溫2h；燒結(jié)完畢后，對(duì)真空碳爐管進(jìn)行降溫，降溫過(guò)程中，控制真空碳爐管的控制開關(guān)，使真空碳爐管在1200℃、900℃和600℃分別保溫0.5h，然后，關(guān)閉真空碳爐管加熱開關(guān)，爐冷至室溫得到多孔碳化鈦陶瓷。

將實(shí)施例一、實(shí)施例二和實(shí)施例三得到的多孔碳化鈦陶瓷進(jìn)行孔隙和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1；

表1不同Ni含量的多孔碳化鈦陶瓷的性能測(cè)試

從表一可以看出，孔隙隨著Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，抗壓強(qiáng)度隨著Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，因此可以根據(jù)實(shí)際情況選擇添加不同金屬Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量，可以制備出不同孔隙率、抗壓強(qiáng)度的多孔碳化鈦陶瓷。

根據(jù)圖1、圖2和圖3所示，由圖1可以看出，多孔碳化鈦陶瓷表面組織形態(tài)良好，斷口處聚氨酯泡沫分解所留下的孔隙有一部分被填充，還存在一定的空隙；由圖2多孔碳化鈦陶瓷表面組織形態(tài)良好，斷口處聚氨酯泡沫分解所留下的孔隙幾乎被完全填充；由圖3可知，鎳(白色)均有的分布在碳化鈦(灰色)周圍，可以很好地起到粘結(jié)作用。微觀孔隙(黑色)尺寸較小且分布均勻，因此該碳化鈦多孔陶瓷具有較高的強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度為9.1MPa。從圖1和圖2可以看出，本發(fā)明所制備的多孔碳化鈦陶瓷，孔結(jié)構(gòu)為三維網(wǎng)狀通孔結(jié)構(gòu)。

綜上所述，本發(fā)明以碳化鈦粉末、鎳粉和石墨粉為原料，該方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，易于推廣應(yīng)用；以聚氨酯泡沫為模板，因此制備的多孔碳化鈦陶瓷孔徑可控，孔隙率高，孔結(jié)構(gòu)為三維網(wǎng)狀通孔結(jié)構(gòu)；可以根據(jù)不同的含量金屬鎳的添加，制備出不同孔隙率、抗壓強(qiáng)度的多孔碳化鈦陶瓷。

上述實(shí)施例僅示例性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。