專利名稱：碳化硅泡沫陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功能材料及其制備方法，尤其是一種碳化硅泡沫陶瓷。
背景技術(shù)：
碳化硅泡沫陶瓷作為一種新型功能材料，其具有質(zhì)量輕、介電常數(shù)高、比表面積大、抗化學(xué)性能優(yōu)良、能在惡劣的環(huán)境下長時間使用，在航空航天、電子、生物醫(yī)學(xué)、冶金、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
目前碳化硅泡沫陶瓷有以下四種方法制備粉末燒結(jié)法、固相反應(yīng)燒結(jié)法、含硅樹脂熱解法和氣相沉積法。粉末燒結(jié)法是將含有一定量燒結(jié)助劑的碳化硅微粉與連接劑調(diào)成合適濃度的漿料后，利用聚氨酯泡沫浸潰掛漿，固化干燥后，在20(T60(TC范圍內(nèi)脫出連接劑和聚氨酯泡沫，然后將溫度升高到150(T2200°C之間進(jìn)行燒結(jié)便得到泡沫狀的碳化硅陶瓷；固相反應(yīng)燒結(jié)法是利用株狀發(fā)泡劑與硅粉和碳粉均勻混合成型，通過熔化或氣化脫出發(fā)泡劑，經(jīng)過高溫反應(yīng)燒結(jié)后即得到碳化硅泡沫陶瓷。含硅樹脂熱解法是將有機(jī)硅前軀體制成高分子凝膠，脫出凝膠中的有機(jī)溶劑后得到泡沫狀含硅樹脂，經(jīng)充分預(yù)氧化后進(jìn)行熱解即可得到碳化硅泡沫陶瓷；氣相沉積法是利用化學(xué)氣相沉積的方法將碳化硅沉積到網(wǎng)狀碳纖維編織體上而得到碳化硅泡沫陶瓷。上述四種方法均有各自的不足。前三種方法由于沒有熱壓過程，初始密度不高，制備的泡沫陶瓷不致密，強(qiáng)度低，并且固相反應(yīng)燒結(jié)法和含硅樹脂熱解法孔隙體積和尺寸難以控制；而氣相沉積法成本較高，效率低下。由于存在以上問題，使得碳化硅泡沫陶瓷的廣泛應(yīng)用受到制約。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種碳化硅泡沫陶瓷及其制備方法，它的各項物理性能優(yōu)秀、化學(xué)穩(wěn)定性好，而且制備方法簡單、效率高，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的碳化硅泡沫陶瓷，漿料按重量份數(shù)計算，它的材料包括 80 95份的碳化硅微粉顆粒、5 20份的聚碳硅烷粉末，4(Γ170份有機(jī)溶劑；它的模板為聚氨酯海綿。
上述的有機(jī)溶劑為四氫呋喃、二甲苯、甲苯、汽油以及能良好溶解聚碳硅烷的有機(jī)溶劑。
固體碳化硅微粉顆粒的粒度為O. 3 20 μ m。
碳化硅泡沫陶瓷的制備方法，將碳化硅微粉顆粒與聚碳硅烷粉末加入有機(jī)溶劑中進(jìn)行混合，充分?jǐn)嚢韬蟮玫胶蓟栉⒎叟c聚碳硅烷的有機(jī)溶劑漿料；將聚氨酯海綿裁切成所需要的形狀和尺寸后，將其擠壓排除空氣后置于有機(jī)溶劑漿料中，使有機(jī)溶劑漿料均勻地涂掛在聚氨酯海綿上，去除聚氨酯海綿上多余的有機(jī)溶劑漿料，制成泡沫預(yù)制體；將預(yù)制體在室溫下自然干燥24小時以上，使有機(jī)溶劑漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到干燥后的預(yù)制體；將干燥后的預(yù)制體置于干燥箱內(nèi)，并在f3h內(nèi)升溫至160 190°C (緩慢升溫防止聚碳硅烷熔化)，保溫4h后進(jìn)行空氣不熔化處理，使聚碳硅烷充分交聯(lián)，得到熱氧化處理后的預(yù)制體；將熱氧化處理后的泡沫預(yù)制體在流動惰性氣氛保護(hù)下4 6h內(nèi)升溫至950 1050°C，保溫2h后在惰性氣氛保護(hù)下自然冷卻至室溫，即得到碳化硅泡沫陶瓷。
所述的惰性氣氛為氮?dú)?、氬氣或氦氣?br> 聚碳硅烷作為碳化硅陶瓷先驅(qū)體，廣泛應(yīng)用于陶瓷纖維、納米復(fù)相陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料、陶瓷涂層等的研制工作中，具有陶瓷產(chǎn)率高、合成產(chǎn)物雜質(zhì)少、燒成溫度低的優(yōu)點。 同時，聚碳硅烷可溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，利用可溶于有機(jī)溶劑的特點與陶瓷粉體制成有機(jī)溶劑漿料。采用粉末燒結(jié)法的原理，利用聚氨酯泡沫浸潰有機(jī)溶劑漿料，并通過熱氧化處理以提高聚碳硅烷陶瓷產(chǎn)率，進(jìn)而在惰性氣氛下950 1050°C燒結(jié)制備出碳化硅泡沫陶瓷， 該制備方法具有燒結(jié)溫度低、效率高、產(chǎn)物純度高的優(yōu)勢。
經(jīng)過實驗進(jìn)行篩選后，得出了以下結(jié)論產(chǎn)品的力學(xué)性能特別是抗彎抗壓強(qiáng)度隨漿料中碳化硅微粉顆粒與聚碳硅烷含量的增加得到了提升，隨著漿料中有機(jī)溶劑含量的增加，抗彎抗壓強(qiáng)度逐步降低，當(dāng)其含量超過 170份以后則很難成型。
提高漿料中聚碳硅烷的含量也可使產(chǎn)品的力學(xué)性能提高，但是聚碳硅烷的含量超過25以后就會使產(chǎn)品的表面出現(xiàn)裂紋，而且過多使用聚碳硅烷也會導(dǎo)致產(chǎn)品的成本增加。
根據(jù)本發(fā)明的方法制備得到的產(chǎn)品具有純度高、高比表面、高通孔率、低體積密度、高的抗彎抗壓強(qiáng)度的優(yōu)點。本發(fā)明采用聚氨酯泡沫作為模板浸潰掛漿制備碳化硅泡沫陶瓷，通過控制浸潰掛漿次數(shù)與漿料中各組分的含量，實現(xiàn)對泡沫陶瓷體積密度、抗彎抗壓強(qiáng)度、比表面、通孔率的控制。而且碳化硅泡沫陶瓷材料形狀、孔徑大小可任意設(shè)計。本發(fā)明采用聚氨酯泡沫作為模板浸潰掛漿，選擇不同規(guī)格及形狀尺寸的聚氨酯模 板可控制碳化硅泡沫陶瓷材料的形狀及孔徑；本發(fā)明工藝簡單、成本低、效率高。本發(fā)明制備碳化硅泡沫陶瓷，漿料容易配制，浸潰掛漿過程簡便，熱解過程坯體不會損壞變形，成品率高，工藝簡單、 成本低廉。
由于采用了上述的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用聚碳硅烷可溶于有機(jī)溶劑的特點，將它與陶瓷粉體制成有機(jī)溶劑漿料，采用粉末燒結(jié)法的原理，利用聚氨酯泡沫浸潰有機(jī)溶劑漿料，并通過熱氧化處理以提高聚碳硅烷陶瓷產(chǎn)率，進(jìn)而在惰性氣氛下燒結(jié)制備出碳化硅泡沫陶瓷，該制備方法具有燒結(jié)溫度低、效率高、產(chǎn)物純度高的優(yōu)勢，有效地避免了傳統(tǒng)碳化硅泡沫陶瓷制備工藝復(fù)雜、引入雜質(zhì)多、燒結(jié)溫度高的難題。而根據(jù)該方法制備得到的產(chǎn)品具有碳化硅陶瓷的基本特性，如硬度高、熱膨脹系數(shù)低、耐化學(xué)腐蝕、抗氧化、高溫穩(wěn)定性好、抗熱沖擊性能優(yōu)良、能在惡劣環(huán)境下長時間使用等優(yōu)點；同時具有泡沫陶瓷的高比表面、低體積密度、高孔隙率的特點。本發(fā)明的材料來源廣泛，制備方法簡單， 易于實施，使用效果好。


附圖1為本發(fā)明的碳化硅泡沫陶瓷微觀結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
本發(fā)明的實施例1 :碳化硅泡沫陶瓷，按重量份數(shù)計算，它的材料包括90份平均粒度為O. 3μ m的碳化硅微粉顆粒(采用市售的β -SiC型號的產(chǎn)品)、10份聚碳硅烷粉末，40份四氫呋喃；它的模板為聚氨酯海綿。
碳化硅泡沫陶瓷的制備方法，將碳化硅微粉顆粒與聚碳硅烷粉末加入四氫呋喃中進(jìn)行混合，充分?jǐn)嚢韬蟮玫接袡C(jī)溶劑漿料；將聚氨酯海綿裁切成所需要的形狀和尺寸后， 將其擠壓排除空氣后置于有機(jī)溶劑漿料中，讓其自由伸展并不斷攪拌擠壓揉搓，使有機(jī)溶劑漿料均勻地涂掛在聚氨酯海綿上，去除聚氨酯海綿上多余的有機(jī)溶劑漿料，制成素坯；將素坯在室溫下自然干燥24小時以上，使有機(jī)溶劑漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到干燥后的素坯；將干燥后的素坯置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，并在Ih內(nèi)升溫至180°C，保溫4h后進(jìn)行空氣不熔化處理，使聚碳硅烷充分交聯(lián)以便得到較高的陶瓷產(chǎn)率，得到熱氧化處理后的素坯；將熱氧化處理后的素坯置于管式爐內(nèi)，抽真空通后通入氮?dú)?，反?fù)三次，在流動氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下4h 升溫速率至1000°C，保溫2h后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻至室溫，即得到碳化硅泡沫陶瓷。 得到的產(chǎn)品體積密度為O. 59g/cm3，抗彎強(qiáng)度為2. 79MPa。
本發(fā)明的實施例2 :碳化硅泡沫陶瓷，按重量份數(shù)計算，它的材料包括85份平均粒度為O. 3μ m的碳化硅微粉顆粒(采用市售的β -SiC型號的產(chǎn)品)、15份聚碳硅烷粉末，40 份四氫呋喃；它的模板為聚氨酯海綿。
碳化硅泡沫陶瓷的制備方法，將固體碳化硅微粉顆粒與固體聚碳硅烷粉末加入四氫呋喃中進(jìn)行混合，充分?jǐn)嚢韬蟮玫接袡C(jī)溶劑漿料；將聚氨酯海綿裁切成所需要的形狀和尺寸后，將其擠壓排除空氣后置于有機(jī)溶劑漿料中，讓其自由伸展并不斷攪拌擠壓揉搓，使有機(jī)溶劑漿料均勻地涂掛在聚氨酯海綿上，去除聚氨酯海綿上多余的有機(jī)溶劑漿料，制成素坯；將素坯在室溫下自然干燥24小時以上，使有機(jī)溶劑漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到干燥后的素坯；將干燥后的素坯置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，并在Ih內(nèi)升溫至160°C，保溫4h后進(jìn)行空氣不熔化處理，使聚碳硅烷充分交聯(lián)以便得到較高的陶瓷產(chǎn)率，得到熱氧化處理后的素坯；將熱氧化處理后的素坯置于管式爐內(nèi)，抽真空通后通入氮?dú)?，反?fù)三次，在流動氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下4h內(nèi)升溫至950°C，保溫2h后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻至室溫，即得到碳化硅泡沫陶瓷。得到的產(chǎn)品體積密度為O. 56g/cm3，抗彎強(qiáng)度為2. 4IMPa0
本發(fā)明的實施例3 :碳化硅泡沫陶瓷，按重量份數(shù)計算，它的材料包括95份平均粒度為5 μ m的碳化硅微粉顆粒( 采用市售的β -SiC型號的產(chǎn)品)、20份聚碳硅烷粉末，170份四氫呋喃；它的模板為聚氨酯海綿。
碳化硅泡沫陶瓷的制備方法，將碳化硅微粉顆粒與聚碳硅烷粉末加入四氫呋喃中進(jìn)行混合，充分?jǐn)嚢韬蟮玫接袡C(jī)溶劑漿料；將聚氨酯海綿裁切成所需要的形狀和尺寸后， 將其擠壓排除空氣后置于有機(jī)溶劑漿料中，讓其自由伸展并不斷攪拌擠壓揉搓，使有機(jī)溶劑漿料均勻地涂掛在聚氨酯海綿上，去除聚氨酯海綿上多余的有機(jī)溶劑漿料，制成素坯；將素坯在室溫下自然干燥24小時以上，使有機(jī)溶劑漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到干燥后的素坯；將干燥后的素坯置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，并在2h內(nèi)升溫至190°C，保溫4h后進(jìn)行空氣不熔化處理，使聚碳硅烷充分交聯(lián)以便得到較高的陶瓷產(chǎn)率，得到熱氧化處理后的素坯；將熱氧化處理后的素坯置于管式爐內(nèi)，抽真空通后通入氮?dú)?，反?fù)三次，在流動氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下6h 內(nèi)升溫至1000°C，保溫2h后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻至室溫，即得到碳化硅泡沫陶瓷。得到的產(chǎn)品體積密度為O. 42g/cm3，抗彎強(qiáng)度為O. 29MPa。
本發(fā)明的實施例4 :碳化硅泡沫陶瓷，按重量份數(shù)計算，它的材料包括80份平均粒度為20 μ m的碳化娃微粉顆粒(米用市售的β-SiC型號的產(chǎn)品)、5份聚碳娃燒粉末,65份四氫呋喃；它的模板為聚氨酯海綿。
碳化硅泡沫陶瓷的制備方法，將碳化硅微粉顆粒與聚碳硅烷粉末加入四氫呋喃中進(jìn)行混合，充分?jǐn)嚢韬蟮玫接袡C(jī)溶劑漿料；將聚氨酯海綿裁切成所需要的形狀和尺寸后， 將其擠壓排除空氣后置于有機(jī)溶劑漿料中，讓其自由伸展并不斷攪拌擠壓揉搓，使有機(jī)溶劑漿料均勻地涂掛在聚氨酯海綿上，去除聚氨酯海綿上多余的有機(jī)溶劑漿料，制成素坯；將素坯在室溫下自然干燥24小時以上，使有機(jī)溶劑漿料中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到干燥后的素坯；將干燥后的素坯置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，并在2h內(nèi)升溫至190°C，保溫4h后進(jìn)行空氣不熔化處理，使聚碳硅烷充分交聯(lián)以便得到較高的陶瓷產(chǎn)率，得到熱氧化處理后的素坯；將熱氧化處理后的素坯置于管式爐內(nèi)，抽真空通后通入氮?dú)猓磸?fù)三次，在流動氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下5h 內(nèi)升溫至1000°C，保溫2h后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻至室溫，即得到碳化硅泡沫陶瓷。得到的產(chǎn)品體積密度為O. 51g /cm3，抗彎強(qiáng)度為2. 06MPa。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅泡沫陶瓷，其漿料特征在于按重量份數(shù)計算，包括80 95份的碳化硅微粉顆粒、5 20份的聚碳硅烷粉末及4(T170份有機(jī)溶劑；其模板為聚氨酯海綿。
2.根據(jù)去哪里要求I所述的碳化硅泡沫陶瓷，其特征在于有機(jī)溶劑為四氫呋喃、二甲苯、甲苯或汽油。
3.根據(jù)去哪里要求I所述的碳化硅泡沫陶瓷，其特征在于固體碳化硅微粉顆粒的粒度為0. 3 20 u m。
4.一種碳化硅泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于將碳化硅微粉顆粒與聚碳硅烷粉末加入有機(jī)溶劑中進(jìn)行混合，充分?jǐn)嚢韬蟮玫接袡C(jī)溶劑漿料；將聚氨酯海綿裁切成所需要的形狀和尺寸后，將其擠壓排除空氣后置于有機(jī)溶劑漿料中，使有機(jī)溶劑漿料均勻地涂掛在聚氨酯海綿上，去除聚氨酯海綿上多余的有機(jī)溶劑漿料，制成泡沫預(yù)制體；將泡沫預(yù)制體在室溫下自然干燥24小時以上，使有機(jī)溶劑揮發(fā)，得到干燥后的泡沫預(yù)制體；將干燥后的泡沫預(yù)制體置于干燥箱內(nèi)，并在廣3小時內(nèi)升溫至160 190°C，保溫4h后進(jìn)行空氣不熔化處理，使聚碳硅烷充分交聯(lián)，得到熱氧化處理后的泡沫預(yù)制體；將熱氧化處理后的泡沫預(yù)制體在流動惰性氣氛保護(hù)下4飛h內(nèi)升溫至950 1050°C，保溫2h后在惰性氣氛保護(hù)下自然冷卻至室溫，即得到碳化硅泡沫陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化硅泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于所述的惰性氣氛為氮?dú)狻鍤饣蚝狻?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅泡沫陶瓷，按重量份數(shù)計算，它的材料包括80～95份碳化硅微粉顆粒、5～20份聚碳硅烷粉末，40~170份有機(jī)溶劑；它的模板為聚氨酯海綿。本發(fā)明利用聚碳硅烷可溶于有機(jī)溶劑的特點，將它與陶瓷粉體制成有機(jī)溶劑漿料，采用粉末燒結(jié)法的原理，利用聚氨酯泡沫浸漬有機(jī)溶劑漿料，并通過熱氧化處理以提高聚碳硅烷陶瓷產(chǎn)率，進(jìn)而在惰性氣氛下燒結(jié)制備出碳化硅泡沫陶瓷，該制備方法具有燒結(jié)溫度低、效率高、產(chǎn)物純度高的優(yōu)勢，有效地避免了傳統(tǒng)碳化硅泡沫陶瓷制備工藝復(fù)雜、引入雜質(zhì)多、燒結(jié)溫度高的難題。
文檔編號C04B35/622GK103011887SQ201110298700
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者黎陽, 劉衛(wèi), 陳璐 申請人:貴州師范大學(xué)