一種多孔碳化硅陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳化硅陶瓷制備方法，涉及一種多孔碳化硅陶瓷的制備方法，具體是一種利用化學(xué)氣相滲透法直接制備多孔碳化硅陶瓷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔陶瓷材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，低的熱膨脹系數(shù)，良好的抗熱震性能和抗氧化性能等成為各行各業(yè)中必不可少的材料。如在氣液過濾，催化劑載體，陶瓷分離膜，聲熱絕緣體，高溫結(jié)構(gòu)材料，熱電能量轉(zhuǎn)換等行業(yè)，多孔陶瓷都取得廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前，多孔陶瓷中應(yīng)用最廣泛的就是多孔SiC陶瓷。制備多孔SiC陶瓷的方法有很多種，如燒結(jié)法、復(fù)制法、犧牲模板法、發(fā)泡法、粘結(jié)法等。文獻(xiàn)I “M.Fukushima, Y.Zhou, H.Miyazaki, Y.Yoshizawaj K.Hiraoj Y.1wamotoj S.Yamazaki and T.Nagano, J.Am.Ceram.Soc.，89，1523 - 1529 (2006).”利用燒結(jié)法制備多孔SiC陶瓷，具體是以β -SiC為原料，以Al2O3為添加劑，采用冷等靜壓成型，最后在1500-1800°C條件下燒結(jié)，通過改變添加劑和燒結(jié)溫度可以使制備出的多孔SiC陶瓷的氣孔率在37%?41 %之間。該方法制備的出的多孔陶瓷的孔徑約在0.03-0.6 μ m之間，力學(xué)性能較好，且空隙分布較為均勻，熱膨脹系數(shù)低，但該工藝存在燒結(jié)溫度較高，制備過程較復(fù)雜等問題。
[0004]文獻(xiàn)2 “X.Ba。，M.R.Nangre jo and M.J.Edirisinghe, J.Mater.Sc1., 35, 4365 -4372(2000).”利用復(fù)制法制備多孔SiC陶瓷，具體是將聚氨酯泡沫浸泡在聚硅烷先驅(qū)體中，浸泡兩個(gè)小時(shí)后拿出，在空氣中自然干燥，然后在氮?dú)鈼l件下熱處理，熱處理溫度在900-1300°C之間。該工藝過程較為簡(jiǎn)單，燒結(jié)溫度較低，制備出的多孔陶瓷孔徑直徑較大，在200-800 μ m之間，且分布較為均勻，但存在多孔SiC陶瓷強(qiáng)度低，先驅(qū)體陶瓷產(chǎn)率低且成本高等問題。
[0005]文南犬3“H.Wang，1.Y.Sung，X.D.Li and D.Kim, J.PorousMater.，11，265 - 271 (2004).”利用犧牲模板法制備多孔SiC陶瓷，具體過程是:選擇模板，干燥模板，陶瓷先驅(qū)體與模板混合形成先驅(qū)體和模板的復(fù)合材料，熱處理該復(fù)合材料得到陶瓷和模板的復(fù)合材料，最后再除去模板，得到一定形貌的多孔SiC陶瓷。該工藝可以根據(jù)需要，有目的地設(shè)計(jì)所需要的多孔陶瓷，但同樣存在陶瓷轉(zhuǎn)化率低，成本高，多孔陶瓷強(qiáng)度較低等問題。
[0006]文獻(xiàn)4 “M.Fukushima and P.Colombo, J.Eur.Ceram.Soc., 32, 503 - 510 (2012).”利用發(fā)泡法制備多孔SiC陶瓷，具體過程是將聚碳硅烷和發(fā)泡劑現(xiàn)在氮?dú)鈼l件250-260°C下進(jìn)行發(fā)泡，之后再把發(fā)泡好的混合物進(jìn)行氧化交聯(lián)得到能夠保持一定強(qiáng)度的混合物，最后在1000°C下進(jìn)行裂解反應(yīng)得到多孔SiC陶瓷。該工藝得到的多孔陶瓷的氣孔率在59% -85%之間，孔徑直徑在416-1455 μπι之間，制備溫度較低，能夠得到指定的孔隙結(jié)構(gòu)，但還是存在多孔陶瓷強(qiáng)度低，工藝過程較復(fù)雜等問題。
[0007]文獻(xiàn)5 “Y.H.Choi, Y.ff.Kim, 1.S.Han and S.K.Woo, J.Mater.Sc1., 45，6841 -6844(2010).”利用粘結(jié)法制備多孔SiC陶瓷，具體過程是以SiC、Al203為原料，加入燒結(jié)助劑，壓制成型后在1350-1450°C之間燒結(jié)。該工藝得到的多孔SiC陶瓷力學(xué)性能較高，氣孔率在44% -49%之間，制備溫度較燒結(jié)法低，但該法制備的多孔陶瓷含有莫來石粘結(jié)相，該相與SiC相的熱膨脹系數(shù)差別較大，在熱震條件下容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而較低多孔陶瓷的力學(xué)性能，限制多孔陶瓷的應(yīng)用。
[0008]化學(xué)氣相滲透技術(shù)(Chemical Vapor Infiltrat1n，簡(jiǎn)稱CVI)是在化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposit1n)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是指將在化學(xué)氣相沉積中在材料表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移到材料內(nèi)部進(jìn)行，在材料內(nèi)部生成陶瓷相，該種陶瓷相可以起到填充和粘結(jié)作用。CVI法具有制備溫度低，易于制備復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]要解決的技術(shù)問題
[0010]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種多孔碳化硅陶瓷的制備方法，解決多孔SiC陶瓷現(xiàn)有技術(shù)中存在的制備工藝復(fù)雜，燒結(jié)溫度高，強(qiáng)度低等問題。
[0011]技術(shù)方案
[0012]—種多孔碳化硅陶瓷的制備方法，其特征在于步驟如下:
[0013]步驟1、制備多孔SiC坯體:將SiC顆粒、粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛PVB和乙醇混合，使粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛PVB包裹在SiC顆粒表面得到粘稠狀的混合物；將粘稠狀的混合物制成設(shè)計(jì)指定的形狀部件，然后烘干得到多孔SiC坯體；所述SiC: PVB:乙醇的質(zhì)量比例為10?20: I?5: I?5 ;
[0014]步驟2:將多孔SiC坯體放入化學(xué)氣相滲透爐CVI爐進(jìn)行化學(xué)氣相滲透，在CVI過程中，生成的SiC陶瓷相起到粘結(jié)SiC顆粒和填充孔隙的作用，進(jìn)而使坯體強(qiáng)度增強(qiáng)，得到指定形狀的多孔SiC陶瓷部件。
[0015]所述SiC顆粒的粒徑分布在50 μ m-500 μ m之間。
[0016]所述設(shè)計(jì)指定的形狀部件為板件、管件或者其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
[0017]所述制成設(shè)計(jì)指定的形狀部件的成型方式是注漿成型、擠出成型、熱壓成型、冷等靜壓成型或離心沉淀成型。
[0018]所述形狀部件的烘干溫度范圍是50?200 °C。
[0019]所述步驟2的CVI爐進(jìn)行化學(xué)氣相滲透的工藝條件為:以MTS CH3SiCl3作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體；總氣壓為0.5?5kPa，沉積溫度為900-1200°C，沉積時(shí)間為10?200h ;所述MTS: H2: Ar的比例為1: 5?20: 3?15。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明提出的一種多孔碳化硅陶瓷的制備方法，將SiC顆粒與PVB和乙醇混合均勻，使PVB盡量均勻地包裹在SiC顆粒表面，便于把SiC顆粒粘接到一起，然后放入化學(xué)氣相滲透爐(CVI爐)進(jìn)行化學(xué)氣相滲透，在CVI過程中，生成的SiC陶瓷相可以起到粘結(jié)SiC顆粒和填充孔隙的作用，進(jìn)而使部件強(qiáng)度增強(qiáng)，得到指定形狀的多孔SiC陶瓷部件。采用CVI法粘結(jié)SiC顆粒制備多孔SiC陶瓷材料，制備溫度較低，工藝流程簡(jiǎn)單，能夠制備復(fù)雜構(gòu)件，且該方法制備的多孔SiC陶瓷的孔隙和力學(xué)性能可調(diào)節(jié)，可以根據(jù)具體要求調(diào)整工藝參數(shù)，進(jìn)而得到所需條件的多孔SiC陶瓷，有極大的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0022]圖1為相同粒徑SiC顆粒制備多孔陶瓷工藝流程圖，
[0023]圖2為不同粒徑SiC顆粒制備多孔陶瓷工藝流程圖
[0024]圖3為不同粒徑SiC顆粒分層排列制備多孔陶瓷工藝流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0025]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0026]實(shí)施例一
[0027]原料準(zhǔn)備:SiC顆粒的粒徑50 μ m，粘結(jié)劑聚乙稀醇縮丁醛(PVB)，乙醇。
[0028]步驟1:制備多孔SiC坯體。將步驟I中的SiC顆粒與PVB和乙醇混合均勻，使PVB盡量均勻地包裹在SiC顆粒表面，便于把SiC顆粒粘接到一起，SiC:PVB:乙醇的質(zhì)量比例為10:1:1。將粘稠狀的混合物制成指定形狀部件，然后烘干得到具有一定形狀的部件。
[0029]步驟2:將步驟I中得到的部件放入化學(xué)氣相滲透爐(CVI爐)進(jìn)行化學(xué)氣相滲透，在這個(gè)過程中CVI法生成的SiC陶瓷相可以起到粘結(jié)SiC顆粒和填充孔隙的作用，進(jìn)而使部件強(qiáng)度增強(qiáng)，得到指定形狀的多孔SiC陶瓷部件。CVI法生成的SiC陶瓷相的生長(zhǎng)工藝條件為:利用MTS(CH3SiCl3)作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體。MTS: H2: Ar的比例為1:10:3，總氣壓為5kPa，沉積溫度為1000 °C，沉積時(shí)間為50h。
[0030]實(shí)施例二
[0031]原料準(zhǔn)備:SiC顆粒(粒徑100 μ m)，粘結(jié)劑聚乙稀醇縮丁醛(PVB)，乙醇。
[0032]步驟2:制備多孔SiC坯體。將步驟I中的SiC顆粒與PVB和乙醇混合均勻，使PVB盡量均勻地包裹在SiC顆粒表面，便于把SiC顆粒粘接到一起，SiC:PVB:乙醇的質(zhì)量比例為10:2:1。將粘稠狀的混合物制成指定形狀部件，然后烘干得到具有一定形狀的部件。
[0033]步驟2:將步驟I中得到的部件放入化學(xué)氣相滲透爐(CVI爐)進(jìn)行化學(xué)氣相滲透，在這個(gè)過程中CVI法生成的SiC陶瓷相可以起到粘結(jié)SiC顆粒和填充孔隙的作用，進(jìn)而使部件強(qiáng)度增強(qiáng)，得到指定形狀的多孔SiC陶瓷部件。CVI法生成的SiC陶瓷相的生長(zhǎng)工藝條件為:利用MTS(CH3SiCl3)作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體。MTS:H2:Ar的比例為1:10:3，總氣壓為5kPa，沉積溫度為1000°C，沉積時(shí)間為80h。
[0034]實(shí)施例三
[0035]原料準(zhǔn)備:SiC顆粒(粒徑100 μ m)，粘結(jié)劑聚乙稀醇縮丁醛(PVB)，乙醇。
[0036]步驟1:制備多孔SiC坯體。將步驟I中的SiC顆粒與PVB和乙醇混合均勻，使PVB盡量均勻地包裹在SiC顆粒表面，便于把SiC顆粒粘接到一起，SiC:PVB:乙醇的質(zhì)量比例為10:2:1。將粘稠狀的混合物制成指定形狀部件，然后烘干得到具有一定形狀的部件。
[0037]步驟2:將步驟I中得到的部件放入化學(xué)氣相滲透爐(CVI爐)進(jìn)行化學(xué)氣相滲透，在這個(gè)過程中CVI法生成的SiC陶瓷相可以起到粘結(jié)SiC顆粒和填充孔隙的作用，進(jìn)而使部件強(qiáng)度增強(qiáng)，得到指定形狀的多孔SiC陶瓷部件。CVI法生成的SiC陶瓷相的生長(zhǎng)工藝條件為:利用MTS(CH3SiCl3)作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體。MTS: H2: Ar的比例為1:10:3，總氣壓為5kPa，沉積溫度為1100 °C，沉積時(shí)間為10h。
[0038]實(shí)施例四
[0039]原料準(zhǔn)備:SiC顆粒