一種無(wú)壓燒結(jié)碳化硅泡沫陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)壓燒結(jié)碳化硅泡沫陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)及其泡沫陶瓷是一種重要的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。作為未來(lái)有可能用于摩擦材料領(lǐng)域的金屬/陶瓷復(fù)合材料的基礎(chǔ)材料，在采用真空一壓力鑄造、壓力制造、低壓鑄造、負(fù)壓鑄造、重力鑄造等方法，將其與金屬(黑色金屬、有色金屬)復(fù)合時(shí)，為防止其與金屬發(fā)生反應(yīng)，對(duì)其表面性能、致密度、強(qiáng)度等提出了很高的要求。而目前在研的用于過(guò)濾器的碳化硅泡沫陶瓷，主要是在1400°C左右的氧化氣氛下，用其它組分將碳化硅細(xì)粉燒制粘接在一起，碳化硅含量一般低于75%，且表面粗糙、強(qiáng)度低。而本發(fā)明碳化硅泡沫陶瓷，是使用碳化硅含量在95%以上的陶瓷漿料與聚氨酯前軀體通過(guò)浸漬、淋漿等方法輥壓復(fù)合、干燥，再淋漿、干燥后，在氬氣氣氛下經(jīng)高溫?zé)o壓燒結(jié)制成。而要想采用輥壓的方法將碳化硅陶瓷漿料與聚氨酯前軀體復(fù)合，就必須先制備出粘度適中、觸變性好、固相含量高的碳化硅漿料。而且，由于碳化硅具有很強(qiáng)的共價(jià)鍵，很難燒結(jié)致密，特別是碳化硅的無(wú)壓燒結(jié)，必須采用亞微米級(jí)別的碳化硅超細(xì)粉，并添加硼、碳等燒結(jié)助劑，或是氧化鋁、氧化釔在1700~2300°C燒結(jié)，才能完成致密化過(guò)程。但是，隨著碳化硅粒度的降低，粉體的表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大，表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性，微粒間團(tuán)聚嚴(yán)重，使硼、碳或氧化鋁、氧化釔等燒結(jié)助劑不容易均勻分散于漿料中，這將嚴(yán)重影響碳化硅陶瓷燒結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。因此，克服微粒間團(tuán)聚，制備低粘適中、觸變性好、固相含量高，燒結(jié)助劑和碳化硅超細(xì)粉分散良好、均勻的漿料非常重要。
[0003]很多研究表明，加入C元素及其化合物都可促進(jìn)SiC陶瓷的固相燒結(jié)。加入氧化鋁、氧化釔可以促進(jìn)SiC陶瓷的液相燒結(jié)。其中，添加C元素有利于除去SiC粉末表面的S12,提高粉體表面能，提高粉體的燒結(jié)活性。目前，關(guān)于這方面的研究有如下現(xiàn)有技術(shù):CN1325832A、專利 CN101708402A、CN102101785A、CN101830704A、CN103011887A、CN103253980A、CN103964887A和CN103787689A，主要以添加含碳的液體有機(jī)物(例如酚醛樹(shù)脂，聚碳硅烷等)作為碳化硅的燒結(jié)助劑。但是，采用傳統(tǒng)的含碳的液體有機(jī)物作為添加劑的缺點(diǎn)有兩個(gè)，其一是含碳的液體有機(jī)物在合成反應(yīng)時(shí)的觸媒或是環(huán)境可能會(huì)造成其燒蝕后的殘?zhí)己坑凶兓?，生產(chǎn)中容易出現(xiàn)缺碳或者富碳現(xiàn)象，嚴(yán)重影響碳化硅陶瓷制品的燒結(jié)質(zhì)量；其二是用于稀釋含碳的液體的有機(jī)物易燃易爆，不易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，而水溶性含碳的液體(如水溶性酚醛樹(shù)脂)受合成反應(yīng)時(shí)的觸媒、酸堿度和環(huán)境影響很大，難于長(zhǎng)期保存。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種用糖燒蝕后的殘?zhí)甲鳛樘荚匆雭單⒚准?jí)SiC超細(xì)粉中，獲得高分散、低粘度、高觸變、高固含的亞微米級(jí)SiC漿料，并將其與聚氨酯泡沫輥壓復(fù)合，經(jīng)無(wú)壓燒結(jié)制備碳化硅泡沫陶瓷的方法，其具備安全性高，所制備的碳化硅泡沫陶瓷中碳化硅固相含量高的特點(diǎn)。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明一方面提供了一種無(wú)壓燒結(jié)碳化硅泡沫陶瓷，其關(guān)鍵技術(shù)在于，陶瓷均勻漿料包括以下重量份的組分:
主料100份；
分散劑0.1-1.5份；
增塑劑0.1-1.5份；
羧甲基纖維素 0.1~1.5份；
粘結(jié)劑10~45份；
消泡劑0.1-1.5份；
所述的主料為按重量百分比為如下的組份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，燒蝕后殘?zhí)剂空继蓟璺垠w重量1.5-9.5 wt.%的糖。
[0006]上述無(wú)壓燒結(jié)碳化硅泡沫陶瓷，通過(guò)以下步驟制備:
(1)按以下重量份稱取原料:
主料100份；
分散劑0.1-1.5份；
增塑劑0.1-1.5份；
羧甲基纖維素 0.1~1.5份；
粘結(jié)劑10~45份；
消泡劑0.1-1.5份；
所述的主料為按重量百分比為如下的組份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，燒蝕后殘?zhí)剂空继蓟璺垠w重量1.5-9.5 wt.%的糖；
(2)均勻漿料的制備:
將步驟⑴的原料加入球磨桶中，配制成固相含量為65 -88 wt.%的漿料，用堿將漿料pH值調(diào)至9~12，經(jīng)真空球磨后形成均勻漿料；
(3)將步驟(2)得到的均勻漿料采用浸漬或淋漿的方法與經(jīng)表面處理后的聚氨酯泡沫，通過(guò)棍壓、吹氣、干燥；再淋楽、吹氣、干燥結(jié)合在一起；
(4)采用無(wú)壓燒結(jié)方法制得碳化硅固相含量97.5-99.5%的碳化硅泡沫陶瓷。
[0007]本發(fā)明另外一方面提供了一種無(wú)壓燒結(jié)碳化硅泡沫陶瓷，其包括以下步驟:
(I)按以下重量份稱取原料:
主料100份；
分散劑0.1-1.5份；
增塑劑0.1-1.5份；
羧甲基纖維素 0.1~1.5份；
粘結(jié)劑10~45份；
消泡劑0.1-1.5份；
所述的主料為按重量百分比為如下的組份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，燒蝕后殘?zhí)剂空继蓟璺垠w重量1.5-9.5 wt.%的糖； (2)均勻漿料的制備:
將步驟⑴的原料加入球磨桶中，配制成固相含量為65 -88 wt.%的漿料，用堿將漿料pH值調(diào)至9~12，經(jīng)真空球磨后形成均勻漿料；
(3)將步驟(2)得到的均勻漿料采用浸漬或淋漿的方法與經(jīng)表面處理后的聚氨酯泡沫結(jié)合，再通過(guò)輥壓、吹氣、干燥；再淋漿、吹氣、干燥成型；
(4)采用無(wú)壓燒結(jié)方法制得碳化硅固相含量97.5-99.5%的碳化硅泡沫陶瓷。
[0008]作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(I)中碳化娃的平均粒徑在0.1?1.5 μπι，純度95-99% ;碳化硼粉末的平均粒度0.3-3.5 μ m ;純度85~95%。
[0009]作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(I)中的糖選自單糖、雙糖或多糖。其燒蝕后的殘?zhí)己吭?0~45 wt.% ；
作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(2)中聚氨酯泡沫的孔徑為5?50ppi，表面使用質(zhì)量百分比為0.05?2.0%的羧甲基纖維素(CMC)水溶液進(jìn)行植絨處理。
[0010]作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(I)中粘結(jié)劑為聚乙烯醇水溶液，溶液濃度為2?9wt.%o
[0011]作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(I)中分散劑的化學(xué)成分為氨基醇。作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(I)中增塑劑的化學(xué)成分為由十個(gè)分子以上單糖縮合成的多糖高聚物或纖維素衍生物。
[0012]作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(I)中消泡劑為BYK型。
[0013]作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟⑵中真空球磨時(shí)間為2~12小時(shí)，磨球的化學(xué)成分為氧化鋁、氧化鋯或碳化硅，磨球和漿料的重量比為(1~3):1，真空度為100~1000 Pa。
[0014]作為本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)，步驟(4)中無(wú)壓燒結(jié)是指在1700~2300°C，氬氣氣氛下保溫0.5~3h，得到碳化硅固相含量在97.5-99.5%的碳化硅泡沫陶瓷。
[0015]上述的氨基醇選自以下化合物:N，N-二甲基-2-( 二苯甲氧基)乙胺，二乙氨基乙醇，4-氨基苯乙醇，羥苯乙醇胺，1-(4-羥基苯基)-2-氨基乙醇，N-芐基-N-甲基乙醇胺等，由此擴(kuò)展到所有帶氨基的醇類。
[0016]上述多糖高聚物為由十個(gè)分子以上單糖縮合成的多糖高聚物。
[0017]上述纖維素衍生物包括:纖維素醚和纖維素酯以及纖維素醚酯三大類。主要包括:纖維素硝酸酯、纖維素乙酸酯、纖維素乙酸丁酸酯和纖維素黃酸酯。纖維素醚類有:甲基纖維素、羧甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、氰乙基纖維素、羥丙基纖維素和羥丙基甲基纖維素等。
[0018]至目前為止，制備高純度的碳化硅陶瓷漿料主要用于噴霧造粒，或是注漿凝膠成型，鮮有使用高純度碳化硅陶瓷漿料制備泡沫陶瓷的報(bào)道。為了發(fā)明安全、高效的制備用于摩擦復(fù)合材料的無(wú)壓燒結(jié)碳化硅泡沫陶瓷的方法，發(fā)明人進(jìn)行了大量的研究，包括使用水溶性酚醛樹(shù)脂、糠醛樹(shù)脂等進(jìn)行碳的引入。結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)采用糖燒蝕后的碳作為燒結(jié)助劑，不但可以準(zhǔn)確且穩(wěn)定地引入確定含量的碳，而且由于其有著不燃不爆、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。正當(dāng)發(fā)明人欣喜于這一發(fā)現(xiàn)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)采用糖燒蝕后的碳作為燒結(jié)助劑，對(duì)于使