一種梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，采用不用長度的陶瓷纖維或不同直徑的陶瓷纖維分別制備不同長度或直徑的陶瓷纖維懸濁液；然后抽濾上述懸濁液得到具有不同孔徑結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維紙；將具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維紙按一定規(guī)律疊層(上部為大孔隙結(jié)構(gòu)的纖維紙疊層，下部為小孔隙結(jié)構(gòu)的纖維紙疊層)，施加一定壓力得到一定厚度的具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維氈；使用化學氣相沉積(CVD)方法或聚合物浸滲裂解(PIP)方法在陶瓷纖維氈上制備陶瓷相基體，連接陶瓷纖維得到具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)。有益效果：由于采用梯度孔隙結(jié)構(gòu)，氣體燃料在上游小孔區(qū)預混，在下游大孔區(qū)燃燒，提高了燃燒穩(wěn)定性，拓寬了貧燃極限。
【專利說明】
一種梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于多孔陶瓷的制備方法，涉及生產(chǎn)與生活用多孔燃燒介質(zhì)材料，特別涉及一種梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]長期以來，能源的生產(chǎn)和消耗帶動了工業(yè)與經(jīng)濟的迅猛發(fā)展。但與此同時，在能源利用上:一方面存在著效率低、浪費嚴重、污染環(huán)境等問題;另一方面，大量的低品位能源沒有被開發(fā)和利用，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣。在工業(yè)生產(chǎn)中，氣體燃料熱值較低，在燃燒過程中燃燒效率不高，難以被常規(guī)的燃燒技術(shù)所利用，不僅造成能源浪費，燃燒產(chǎn)生的有毒物質(zhì)還會污染環(huán)境。工業(yè)中常用多孔介質(zhì)預混燃燒方案，來提高能源利用率，同時減少環(huán)境污染物的排放。近年來，為確保燃燒的穩(wěn)定性，常用至少由兩個不同區(qū)域組成的燃燒器:上游為小孔隙預熱區(qū)，下游為大孔隙燃燒區(qū)。預熱區(qū)多孔體主要有兩個作用:預混氣體和對氣體進行預加熱。上游小孔隙多孔陶瓷接受來自燃燒區(qū)輻射和傳導的熱量而升溫，同時由于該區(qū)域孔徑尺寸較小，加熱燃氣不易燃燒。當預熱后的預混氣體進入燃燒區(qū)后，能夠迅速燃燒，完成化學反應(yīng)與能量釋放。這種梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計能產(chǎn)生比自由火焰高約十倍的火焰速度，同時具有燃燒穩(wěn)定、貧燃極限寬和污染物排放低等顯著優(yōu)點。中國發(fā)明專利CN201510101420.3提出一種斯特林發(fā)動機的燃燒加熱系統(tǒng)，由上下設(shè)置的直形漸變疊式多孔介質(zhì)燃燒器及填充式多孔介質(zhì)加熱器構(gòu)成，具有燃燒穩(wěn)定、燃燒效率高、傳熱性能好、蓄熱性能好、工作穩(wěn)定、負荷調(diào)節(jié)范圍廣、污染排放少等優(yōu)點，對提高燃氣型斯特林發(fā)動機工作效率作用顯著。中國發(fā)明專利CN200510060836.1公開了一種往復式多孔介質(zhì)燃燒高溫空氣發(fā)生系統(tǒng)及其方法。從而實現(xiàn)了多孔介質(zhì)燃燒與多孔介質(zhì)蓄熱相結(jié)合產(chǎn)生高溫空氣的方法。中國發(fā)明專利CN200710157963.2發(fā)明了一種多段式多孔陶瓷介質(zhì)氣體燃料燃燒器，燃燒器內(nèi)由上至下依次設(shè)置有大孔區(qū)域陶瓷多孔介質(zhì)，小孔區(qū)域陶瓷多孔介質(zhì)。
[0003]目前，制備梯度孔隙結(jié)構(gòu)燃燒介質(zhì)的材料主要有陶瓷泡沫、金屬泡沫和金屬纖維。中國發(fā)明專利CN201410657420.7提出一種雙層多孔泡沫陶瓷板純預混氣體燃料燃燒器，通過由上至下依次設(shè)置大孔泡沫陶瓷板、小孔泡沫陶瓷板的方式提高燃燒器的加熱效率和均勻性。中國發(fā)明專利CN201310496700.X提出一種預混預熱式梯密度通孔金屬泡沫燃燒器，梯密度金屬泡沫位于金屬通孔泡沫的上方，通過利用導熱系數(shù)高的金屬泡沫對氧氣和燃燒氣體進行預混加熱，然后在熔點高的梯密度金屬泡沫內(nèi)燃燒，解決了現(xiàn)有多孔介質(zhì)燃燒器燃燒效率低的問題。中國發(fā)明專利CN200610135085.X提出一種金屬纖維-多孔陶瓷介質(zhì)表面燃燒器，該裝置可以有效防止低溫回火，提高燃料與空氣的調(diào)節(jié)范圍，還可以在一定范圍內(nèi)提高燃燒溫度。中國發(fā)明專利CN201510862818.9提出一種陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)，陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)材料的孔隙率較高，反應(yīng)氣體通過時產(chǎn)生較小的氣壓降。結(jié)構(gòu)小巧，形狀靈活，方便在爐具中使用，有著優(yōu)異的高溫強度和穩(wěn)定性。然而，由于陶瓷材料本身的脆性和使用過程中的熱震、聲震，易導致破碎;金屬材料化學特性活潑，在高溫水氧環(huán)境下易被腐蝕，使用壽命短暫，且在高功率燃燒時易發(fā)生高溫回火，不適用于高溫條件；陶瓷纖維雖有著優(yōu)異的高溫強度和穩(wěn)定性，但單一的孔隙結(jié)構(gòu)降低了燃燒穩(wěn)定性，使貧燃極限較窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，在提高燃燒器的燃燒穩(wěn)定性和拓寬貧燃極限的同時，保證長的使用壽命、避免高溫回火的發(fā)生以及降低污染物的排放。
[0006]技術(shù)方案
[0007]—種梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于步驟如下:
[0008]步驟1:將較短的陶瓷纖維和較長的陶瓷纖維分別在聚合物溶液中進行分散，獲得兩種陶瓷纖維懸濁液;所述較短的陶瓷纖維為3-7_;所述較長的陶瓷纖維為10-20mm;所述陶瓷纖維與聚合物溶液的比例為0.4g: 400ml ；
[0009]步驟2:采用抽濾法分別對兩種陶瓷纖維懸濁液制備出兩種陶瓷纖維紙，單層陶瓷纖維紙厚度在0.5-0.7mm之間；
[0010]步驟3:將每種陶瓷纖維紙以2-4疊層形成多層陶瓷纖維紙，再將兩種多層陶瓷纖維紙疊加形成層狀梯度多孔纖維氈，然后加壓得到設(shè)計所要求厚度的纖維氈；
[0011]步驟4:將纖維氈置于CVD爐中進行化學氣相沉積BN界面層和沉積SiC殼層制備陶瓷相;或?qū)⒗w維氈置于CVD爐中進行化學氣相沉積BN界面層后然后采用聚合物浸滲裂解方法沉積SiC殼層制備陶瓷相。
[0012]以較細的陶瓷纖維取代較短的陶瓷纖維，以較粗的陶瓷纖維取代較長的陶瓷纖維;所述較細的陶瓷纖維為3_5μπι;所述較粗的陶瓷纖維為7-14μπι。
[0013]所述陶瓷纖維為具有抗氧化性能的氧化物纖維或具有鈍化能力的非氧化物纖維。
[0014]所述陶瓷纖維為具有抗氧化性能的氧化物纖維或具有鈍化能力的非氧化物纖維為SiC纖維、Al2O3纖維、莫來石纖維或堇青石纖維。
[0015]所述聚合物溶液為聚乙烯醇PVA溶液或羧甲基纖維素CMC。
[0016]所述步驟I中，在兩種陶瓷纖維的表面包覆一層非離子型表面活化劑。
[0017]所述步驟4中的化學氣相沉積BN界面層的參數(shù)為:在750 °C下，BCl4和NH3為反應(yīng)氣，按照I: 3的比例通入反應(yīng)室內(nèi)，氬氣保護氣下沉積得到BN界面層。
[0018]所述步驟4中的化學氣相沉積然后沉積SiC殼層參數(shù)為:SiCl3CH3(MTS)為反應(yīng)氣，H2為載氣和稀釋氣，反應(yīng)沉積SiC，在SiC纖維氈表面沉積SiC殼層。
[0019]有益效果
[0020]本發(fā)明提出的一種梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，采用不用長度的陶瓷纖維或不同直徑的陶瓷纖維分別制備不同長度或直徑的陶瓷纖維懸濁液;然后抽濾上述懸濁液得到具有不同孔徑結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維紙;將具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維紙按一定規(guī)律疊層(上部為大孔隙結(jié)構(gòu)的纖維紙疊層，下部為小孔隙結(jié)構(gòu)的纖維紙疊層)，施加一定壓力得到一定厚度的具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維氈;使用化學氣相沉積(CVD)方法或聚合物浸滲裂解(PIP)方法在陶瓷纖維氈上制備陶瓷相基體，連接陶瓷纖維得到具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)。
[0021]本發(fā)明有益效果:
[0022]1.由于采用梯度孔隙結(jié)構(gòu)，氣體燃料在上游小孔區(qū)預混，在下游大孔區(qū)燃燒，提高了燃燒穩(wěn)定性，拓寬了貧燃極限。
[0023]2.由于陶瓷本身低的膨脹系數(shù)和高的傳熱能力使陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)具有優(yōu)良的燃燒均勻性及較高的燃燒速率。
[0024]3.陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)材料的孔隙率較高，反應(yīng)氣體通過時產(chǎn)生較小的氣壓降。
[0025]4.由于該介質(zhì)材料采用的是纖維骨架結(jié)構(gòu)，大大降低了材料的比表面積，燃料氣體在其中反應(yīng)過程中的聲震現(xiàn)象可以顯著避免，提高其使用壽命。
【附圖說明】
[0026]圖1:梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)發(fā)明過程流程圖；
[0027]圖2:具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)微結(jié)構(gòu)照片。a，長度較長直徑較粗的纖維紙;b，長度較短直徑較細的纖維紙;c，長度較長直徑較粗的纖維形成的大孔隙結(jié)構(gòu);d，長度較短直徑較細的纖維形成的小孔隙結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0028]現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述:
[0029]選用具有抗氧化性能的氧化物纖維或具有鈍化能力的非氧化物纖維，如SiC纖維、Al2O3纖維、莫來石纖維、堇青石纖維等，較短纖維長度區(qū)間為3-7mm，較長纖維長度區(qū)間為10-20mm，較細纖維直徑約為3-5μπι，較粗纖維直徑約為7-14μπι。制備不同長度或直徑的均一穩(wěn)定的陶瓷纖維懸濁液。按照0.4g:400ml的比例將陶瓷纖維和一定量的表面活化劑加入到具有一定粘度的聚合物溶液如:聚乙烯醇(PVA)溶液，羧甲基纖維素(CMC)溶液等有機物溶液中，分別分散不同長度或直徑的纖維，獲得纖維懸濁液。抽濾上述陶瓷纖維懸濁液得到具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維紙。將一定體積的懸濁液抽濾得到厚度為0.6mm左右的陶瓷纖維紙并烘干。
[0030]將具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維紙疊層，可以用單相增強材料，通過調(diào)節(jié)纖維的長度形成大小不同的孔隙；也可以用兩種不同的增強材料進行疊層，由于不同材料本身的纖維直徑不同，形成的孔隙大小不同。施加一定壓力得到厚度為3_左右的層狀梯度多孔纖維氈。所制備的纖維氈由上下兩部分組成，上部為2-4層較長或較粗的陶瓷纖維紙相互搭接，形成的孔徑較大的孔隙結(jié)構(gòu)，下部為2-4層長度較小或直徑較小的纖維相互搭接，形成的孔徑較小的孔隙結(jié)構(gòu)。然后在較高溫度下熱處理l_2h，除去纖維表面的表面活化劑和聚合物，得到具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維氈預制體。
[0031]在陶瓷纖維氈預制體上制備陶瓷相基體。為了提高燃燒介質(zhì)的抗熱震和聲震性能，可以在制備陶瓷相基體之前先在纖維表面制備一層界面層，厚度為200-700nm左右。界面層可以采用BN界面層，也可以選用其他抗氧化的界面層。然后繼續(xù)制備陶瓷相基體，可以用化學氣相沉積的方法制備具有抗氧化、耐腐蝕性能的陶瓷相，如SiC;也可以用PIP方法制備陶瓷連接相，把陶瓷前驅(qū)體浸漬到陶瓷纖維氈中，烘干固化后進行裂解，得到具有抗氧化、耐腐蝕性能的陶瓷相。
[0032]具體實施例如下:
[0033]實施例一(單相纖維):
[0034]選用長度分別為3-6mm和10-13mm之間的SiC短切纖維分別與濃度為0.2%的PVA溶液按照0.4g: 400mL的比例混合，通過剝離攪拌方式混合均勻，得到均一、短時穩(wěn)定的SiC短切纖維懸濁液。真空抽濾制得的SiC短切纖維懸濁液，得到具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的單層不同纖維長度的SiC短切纖維紙。然后將得到的單層不同纖維長度的SiC短切纖維紙進行疊層，上部3層為長纖維疊層得到大孔隙結(jié)構(gòu)，下部3層為短纖維疊層得到小孔隙結(jié)構(gòu)，從而得到具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的SiC多孔纖維氈。施加一定壓力得到厚度約為3_的纖維氈，然后噴用定型膠固化，得SiC纖維氈預制體。再將SiC纖維氈放置于CVD爐中，在750°C下，BCl4和NH3為反應(yīng)氣，按照1:3的比例通入反應(yīng)室內(nèi)，氬氣保護氣下沉積500nm厚的BN界面層。沉積BN界面層的纖維氈，繼續(xù)沉積SiC AiCl3CH3(MTS)為反應(yīng)氣，H2為載氣和稀釋氣，反應(yīng)沉積SiC，在SiC纖維氈表面沉積一層厚度為3μπι的SiC殼層，得到具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的SiC陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)材料。
[0035]實施例二(復相纖維):
[0036]選用長度為3-6mm的莫來石短切纖維和長度為10-13mm的SiC短切纖維分別與濃度為0.2%的CMC溶液按照0.4g:400mL的比例混合，通過剝離攪拌方式混合均勻，得到均一、短時穩(wěn)定的莫來石短切纖維和SiC短切纖維懸濁液。真空抽濾制得的莫來石短切纖維和SiC短切纖維懸濁液，得到具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的單層莫來石短切纖維紙和SiC短切纖維紙。將得到的單層莫來石短切纖維紙和SiC短切纖維紙進行疊層，上3層為SiC纖維紙疊層得到的大孔隙結(jié)構(gòu)，下3層為莫來石纖維紙疊層得到的小孔隙結(jié)構(gòu)，得到莫來石纖維-SiC纖維梯度多孔氈，施加一定壓力得到厚度為3mm的纖維氈，然后噴用定型膠固化，得莫來石纖維-SiC纖維氈預制體。將莫來石纖維-SiC纖維氈放置于CVD爐中，在750°C下，BCl4和NH3為反應(yīng)氣，按照1:3的比例通入反應(yīng)室內(nèi)，氬氣保護氣下沉積500nm厚的BN界面層。沉積BN界面層的莫來石纖維-SiC纖維氈，繼續(xù)使用PIP方法制備陶瓷連接相，把聚碳硅烷(PCS)前驅(qū)體浸漬到莫來石纖維-SiC纖維氈中，烘干固化后進行裂解，在氮氣氣氛下，800°C左右PCS裂解得到SiC陶瓷相，得到具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的莫來石-SiC陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)材料。
[0037]實施例三(復相纖維):
[0038]選用長度均為3-6mm，直徑為3-5μπι的Al2O3短切纖維和直徑為7-14μπι的SiC短切纖維分別與濃度為0.2 %的CMC溶液按照0.4g: 400mL的比例混合，通過剝離攪拌方式混合均勻，得到均一、短時穩(wěn)定的Al2O3短切纖維和SiC短切纖維懸濁液。真空抽濾制得的Al2O3短切纖維和SiC短切纖維懸濁液，得到具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的單層Al2O3短切纖維紙和SiC短切纖維紙。將得到的單層Al2O3短切纖維紙和SiC短切纖維紙進行疊層，上3層為SiC纖維紙疊層得到的大孔隙結(jié)構(gòu)，下3層為Al2O3纖維紙疊層得到的小孔隙結(jié)構(gòu)，得到Al2O3-SiC纖維梯度多孔氈，施加一定壓力得到厚度為3mm的纖維氈，然后噴用定型膠固化，得Al2O3-SiC纖維氈預制體。將Al2O3-SiC纖維氈放置于CVD爐中，在750°C下，BCl4和NH3為反應(yīng)氣，按照1:3的比例通入反應(yīng)室內(nèi)，氬氣保護氣下沉積500nm厚的BN界面層。沉積BN界面層的Al2O3-SiC纖維氈，繼續(xù)使用PIP方法制備陶瓷連接相，把聚碳硅烷(PCS)前驅(qū)體浸漬到Al2O3-SiC纖維氈中，烘干固化后進行裂解，在氮氣氣氛下，800°C左右PCS裂解得到SiC陶瓷相，得到具有梯度孔隙結(jié)構(gòu)的Al2O3-SiC陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)材料。
【主權(quán)項】
1.一種梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:將較短的陶瓷纖維和較長的陶瓷纖維分別在聚合物溶液中進行分散，獲得兩種陶瓷纖維懸濁液;所述較短的陶瓷纖維為3-7_;所述較長的陶瓷纖維為10-20_;所述陶瓷纖維與聚合物溶液的比例為0.4g: 400ml ； 步驟2:采用抽濾法分別對兩種陶瓷纖維懸濁液制備出兩種陶瓷纖維紙，單層陶瓷纖維紙厚度在0.5-0.7mm之間； 步驟3:將每種陶瓷纖維紙以2-4疊層形成多層陶瓷纖維紙，再將兩種多層陶瓷纖維紙疊加形成層狀梯度多孔纖維氈，然后加壓得到設(shè)計所要求厚度的纖維氈； 步驟4:將纖維氈置于CVD爐中進行化學氣相沉積BN界面層和沉積SiC殼層制備陶瓷相；或?qū)⒗w維氈置于CVD爐中進行化學氣相沉積BN界面層后然后采用聚合物浸滲裂解方法沉積SiC殼層制備陶瓷相。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于:以較細的陶瓷纖維取代較短的陶瓷纖維，以較粗的陶瓷纖維取代較長的陶瓷纖維;所述較細的陶瓷纖維為3-5μπι ；所述較粗的陶瓷纖維為7-14μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于:所述陶瓷纖維為具有抗氧化性能的氧化物纖維或具有鈍化能力的非氧化物纖維。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于:所述陶瓷纖維為具有抗氧化性能的氧化物纖維或具有鈍化能力的非氧化物纖維為SiC纖維、Al2O3纖維、莫來石纖維或堇青石纖維。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于:所述聚合物溶液為聚乙烯醇PVA溶液或羧甲基纖維素CMC。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于:所述步驟I中，在兩種陶瓷纖維的表面包覆一層非離子型表面活化劑。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于:所述步驟4中的化學氣相沉積BN界面層的參數(shù)為:在750 V下，BCl4和NH3為反應(yīng)氣，按照I: 3的比例通入反應(yīng)室內(nèi)，氬氣保護氣下沉積得到BN界面層。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述梯度孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維多孔燃燒介質(zhì)的制備方法，其特征在于:所述步驟4中的化學氣相沉積然后沉積SiC殼層參數(shù)為:SiCl3CH3(MTS)為反應(yīng)氣，H2為載氣和稀釋氣，反應(yīng)沉積SiC，在SiC纖維氈表面沉積SiC殼層。
【文檔編號】C04B35/80GK105967713SQ201610283642
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】梅輝, 徐亞威, 張卉, 成來飛
【申請人】西北工業(yè)大學