一種多孔碳化硅陶瓷的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳化硅陶瓷材料的制造方法，具體說是一種制備多孔碳化硅陶瓷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔碳化硅陶瓷是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有很多孔隙的新型功能材料。由于具有低密度、高強(qiáng)度、高孔隙率、高滲透性、比表面積大、抗腐蝕、抗氧化、良好的隔熱性、抗震性和耐高溫性等特點，使其在一般工業(yè)領(lǐng)域及高科技領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。例如:可以作高溫氣體凈化器、柴油機(jī)排放的固體顆粒過濾器、熔融金屬過濾器、熱交換器、傳感器、保溫和隔音材料，汽車尾氣的催化劑載體等。此外，它們在生物醫(yī)用領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用前景。目前，碳化硅多孔陶瓷因其優(yōu)異的性能，越來越受到人們的重視。其應(yīng)用已經(jīng)遍及冶金、化工、電子、能源、航空、環(huán)保、生物等多個領(lǐng)域。碳化硅多孔陶瓷的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平在不斷提高，其制備技術(shù)也在不斷發(fā)展。多孔碳化硅陶瓷的制備有多種工藝方法。如添加造孔劑工藝、發(fā)泡工藝、有機(jī)泡沫浸潰工藝、溶膠凝膠工藝、模板復(fù)制法等。其中添加造孔劑是在燒結(jié)過程中，造孔劑揮發(fā)或者分解離開基體留下氣孔來制備多孔陶瓷的工藝方法。造孔劑種類有無機(jī)和有機(jī)兩種。根據(jù)碳化硅顆粒間結(jié)合方式，碳化硅多孔陶瓷的制備方法多為直接合成法，此方法以碳化硅顆粒間的直接結(jié)合來實現(xiàn)燒結(jié)，這種方法得到的碳化硅多孔陶瓷具有優(yōu)異的機(jī)械性能，但燒結(jié)溫度高，需要惰性氣體保護(hù)，因而提升了碳化硅多孔陶瓷的制備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種改進(jìn)了的制造多孔碳化硅陶瓷的方法。利用本方法可實現(xiàn)多孔碳化硅陶瓷的近尺寸燒結(jié)，從而克服了碳化硅難以燒結(jié)的缺陷。利用此方法生產(chǎn)的多孔碳化硅陶瓷來制備復(fù)雜形狀制品，具有成本低，產(chǎn)品性能適中的優(yōu)點。
[0004]本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):以碳化硅和氧化鋁為起始原料，以石墨作為造孔劑，將碳化硅和氧化鋁按照5: 3質(zhì)量比例混合，石墨質(zhì)量百分?jǐn)?shù)范圍控制在1530wt%，分別稱取三種原料后攪拌均勻，得陶瓷粉料；以酒精為分散溶劑，加入I?1wt %的酚醛樹脂為粘結(jié)劑，將酚醛樹脂和酒精按照1: 10體積比混合，得混料溶液；將陶瓷粉料與混料溶液混合，采用碳化硅研磨球，按照粉料與研磨球質(zhì)量比為1: 2，將上述陶瓷粉料和混料溶液用聚四氟乙烯球磨罐，置于行星球磨機(jī)上球磨，得陶瓷料漿；將所得料漿，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀70?80°C條件下干燥2?4小時(目的是為了排除溶劑)，將粉料烘干后進(jìn)行研磨，并過120目篩，得干燥粉料；將粉料在冷壓機(jī)中壓制成長方形試條，所述坯體的尺寸由冷壓成型中模具尺寸控制，成型壓力為30?90MPa ;將所得的素坯體在快速升溫爐中升至燒結(jié)溫度1400?1550°C，燒結(jié)溫度保持I?4小時后自然冷卻，即得多孔碳化硅陶瓷，燒制過程中由室溫升至燒結(jié)溫度及燒結(jié)完成后冷卻至室溫過程中速率約為5°C /min。
[0005]本發(fā)明與其他制造方法的不同點:(1)以碳化硅和氧化鋁為起始原料，以石墨作為造孔劑，碳化硅顆粒間通過大量的氧化和莫來石化產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)合，保證碳化硅多孔陶瓷具有較高的強(qiáng)度.(2)先將陶瓷粉料與混料溶液在磁力攪拌器上攪拌30min，再置于行星球磨機(jī)上球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為120?360r/min,球磨時間I?4小時。(3)采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行干燥，防止在干燥過程中料漿粉料的沉降分層。
[0006](4)燒制過程中由室溫升至燒結(jié)溫度及燒結(jié)完成后冷卻至室溫過程中速率約為5°C /min。
[0007]本發(fā)明以碳化硅和氧化鋁為起始原料，石墨為造孔劑，通過原位反應(yīng)結(jié)合工藝制備了碳化硅多孔陶瓷。石墨是熱固性材料，在空氣中氧化時不會液化，且氧化溫度高，熱分析表明:石墨的氧化從600°C開始，直到800°C完成。碳化硅顆粒的氧化發(fā)生在750°C以上，因此在碳化硅氧化之前石墨不會被完全燒除，在800°C之前，坯體可由沒完全燒除的石墨顆粒來支撐，從而使坯體保持完好。800°C以后，在燒結(jié)過程中，碳化硅被氧化為無定型的二氧化硅，可建立起支撐骨架。整個過程中坯體都可以保持完好。隨著溫度的升高，在1100°C，無定型二氧化硅轉(zhuǎn)化為方石英，并逐漸與氧化鋁反應(yīng)，在碳化硅顆粒表面原位生成莫來石，從而實現(xiàn)了多孔碳化硅陶瓷的原位反應(yīng)結(jié)合。莫來石具有很好的常溫和高溫強(qiáng)度，從而大大提高了多孔陶瓷的機(jī)械性能。
[0008]在本發(fā)明中:碳化硅微粉純度99.4%，d50 = 10 μ m ;氧化鋁微粉，α相的含量大于 95%，d50 = 0.6μπι;石墨純度為 99.9%，d50 = 5 ?20 μ m。
[0009]技術(shù)效果
[0010]本發(fā)明所得多孔碳化硅陶瓷各項性能指標(biāo)如下:X射線衍射分析，多孔陶瓷的主相是碳化硅，結(jié)合相是莫來石與方石英；電鏡觀察:多孔陶瓷具有相互連通的開孔結(jié)構(gòu)，氣孔平均直徑為2?8μπι ;由排水法測定開口孔隙率和體密度，開口孔隙率為43?57%，體密度為1.4?1.72g/cm3 ;線收縮率測試，多孔碳化硅陶瓷在燒結(jié)過程中具有很小的尺寸變化，線收縮率約在± 1.5%內(nèi)；于1450°C保溫4小時制備的多孔碳化硅陶瓷進(jìn)行耐酸堿性測試，在1200°C保溫10小時時，測得樣品增重僅為0.2%，抗彎強(qiáng)度下降6.1%。耐酸性能，樣品在煮沸的20wt %硫酸溶液中，保持Ih,樣品適中為1.3%,抗彎強(qiáng)度下降13.3% ;耐喊性能，樣品直于煮沸的Iwt %硫酸溶液中，保持Ih,樣品適中為5.5%,抗彎強(qiáng)度下降53.6 %。因此采用本發(fā)明制備的多孔碳化硅陶瓷具有相互連通的開孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了近尺寸燒結(jié)，燒結(jié)溫度低，且性能適中，此外還表現(xiàn)出良好的透氣性、抗高溫氧化性和耐酸腐蝕性。
[0011]綜上所述，本發(fā)明通過原位反應(yīng)結(jié)合工藝制備了多孔碳化硅陶瓷，克服了碳化硅難以燒結(jié)的缺陷，實現(xiàn)了多孔碳化硅陶瓷的近尺寸燒結(jié)，可制備形狀復(fù)雜的制品。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0013]以下實施例中:碳化硅微粉指純度99.4%，d50 = 10 μ m的顆粒；氧化鋁微粉指α相的含量大于95%, d50 = 0.6 μ m的微粉。
[0014]實施例1:
[0015]I)多孔陶瓷粉料的準(zhǔn)備
[0016]分別稱取106.25g碳化娃、63.75g氧化招、30g平均粒徑為5μηι石墨后攪拌均勻，得陶瓷粉料。
[0017]2)混料
[0018]以酒精為分散溶劑，加入6g酚醛樹脂為粘結(jié)劑，將酚醛樹脂和酒精按照1: 10體積比混合，得混料溶液；將陶瓷粉料與預(yù)混液混合，采用碳化硅研磨球，按照粉料與研磨球質(zhì)量比為1: 2，將上述陶瓷粉料和混料溶液在聚四氟乙烯球磨罐中行星球磨2h，得陶瓷料漿。
[0019]3)干燥
[0020]將步驟2)所得料漿，倒入梨形瓶，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀80°C條件下干燥2小時(目的是為了排除溶劑)，將粉料烘干后進(jìn)行研磨，并過120目篩，得干燥粉料。
[0021]4)成型
[0022]將粉料在冷壓機(jī)中壓制成長方形試條，所述坯體的尺寸由冷壓成型中模具尺寸控制，成型壓力為30MPa。
[0023]5)燒結(jié)
[0024]將步驟4)所得的素坯體在快速升溫爐中升至燒結(jié)溫度1450°C，燒結(jié)保溫4h。所得碳化硅多孔陶瓷各項指標(biāo)如下:X射線衍射分析，多孔陶瓷的主相是碳化硅，結(jié)合相是莫來石與方石英；電鏡觀察:多孔陶瓷具有相互連通的開孔結(jié)構(gòu)，氣孔平均直徑為2μπι;由排水法測定開口孔隙率和體密度，開口孔隙率為50%，體密度為1.59g/cm3 ;線收縮率測試，碳化硅多孔陶瓷-1.0%。
[0025]實施例