多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于泡沫陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源消耗及環(huán)境污染日益嚴(yán)重，工業(yè)上對(duì)高效環(huán)保的燃燒技術(shù)的需求逐漸增強(qiáng)。多孔介質(zhì)燃燒具有穩(wěn)定性好、效率高、可燃極限寬和污染物(特別是NOx和CO)排放低的顯著優(yōu)點(diǎn)，是一種集節(jié)能、減排和環(huán)保于一身的燃燒技術(shù)。泡沫陶瓷因耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定和對(duì)氣體的壓力損失小的優(yōu)點(diǎn)被廣泛用作多孔介質(zhì)燃燒器。但是，通過(guò)有機(jī)泡沫浸漬法制備的泡沫陶瓷由于有機(jī)模板的分解形成的中空孔筋以及在孔筋表面殘留大量的缺陷，致使泡沫陶瓷的力學(xué)性能及抗熱震性能差。碳化硅自身的高熱導(dǎo)率和低線膨脹率賦予碳化硅泡沫陶瓷優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性能，被認(rèn)為是制備多孔介質(zhì)燃燒器用泡沫陶瓷最有前途的材料。然而，碳化硅泡沫陶瓷在高溫、富氧環(huán)境下的氧化造成碳化硅泡沫陶瓷的使用壽命大幅降低。
[0003]目前技術(shù)人員為解決碳化硅泡沫陶瓷的力學(xué)性能以及抗氧化性能差等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究和技術(shù)開(kāi)發(fā):
如專利“一種制備SiC泡沫陶瓷過(guò)濾器的方法”(CN102503520B)的專利技術(shù)，公開(kāi)了一種采用有機(jī)泡沫浸漬法制備碳化硅泡沫陶瓷，并添加鋰基膨潤(rùn)土來(lái)實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)。此技術(shù)所制備的碳化硅泡沫陶瓷雖因材料中玻璃相的形成對(duì)提高材料的常溫力學(xué)性能有利，但是玻璃相的產(chǎn)生會(huì)顯著降低碳化硅泡沫陶瓷的抗熱震性能；并且，采用此技術(shù)制備的碳化硅泡沫陶瓷，由于材料的孔筋呈中空狀，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此降低了材料的抗熱沖擊能力；
又如“提高碳化硅泡沫陶瓷高溫抗氧化性能的表面涂層制備方法”(CN102503520B)的專利技術(shù)，公開(kāi)了在惰性氣氛或真空下，通過(guò)離子濺射鍍膜機(jī)在碳化硅泡沫陶瓷表面濺射一層金屬Al，然后在氧化氣氛下經(jīng)高溫氧化制備致密的抗氧化涂層，具有良好的抗氧化性能。但是，此技術(shù)所需設(shè)備投入大、工藝復(fù)雜，并且僅單純利用涂層提高碳化硅泡沫陶瓷的高溫抗氧化性能而未兼顧碳化硅泡沫陶瓷的力學(xué)性能及抗熱震性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種工藝簡(jiǎn)單和成本低的多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷的制備方法，用該方法制備的多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷強(qiáng)度高、抗熱震性能好和抗氧化性能優(yōu)良。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟是:
步驟一、將70?90份質(zhì)量的碳化硅、8?20份質(zhì)量的氧化鋁微粉和2?10份質(zhì)量的硅微粉混合，得混合粉I;再向混合粉I中加入0.5?2份質(zhì)量的木質(zhì)素磺酸銨、0.1?0.5份質(zhì)量的聚羧酸鹽、0.3?I份質(zhì)量的羧甲基纖維素和25?45份質(zhì)量的水，攪拌30?60min，制得漿體I。
[0006]步驟二、將65?94份質(zhì)量的氧化鋁微粉與6?35份質(zhì)量的硅源混合，得混合粉Π，再向混合粉Π中加入0.3?I份質(zhì)量的聚羧酸鹽、0.01?0.06份質(zhì)量的無(wú)水乙醇和23?46份質(zhì)量的水，球磨2?4h，制得漿體Π。
[0007]步驟三、將聚氨酯海綿浸入所述漿體I中，浸漬10?30min，擠壓或離心甩漿，在90?110°C干燥12?24h;再以I?3°C/min的速率升溫至600?850°C，保溫0.5?3h，得到碳化硅泡沫陶瓷預(yù)燒體;然后將所述碳化硅泡沫陶瓷預(yù)燒體浸入漿體Π中，抽真空至剩余壓力為500?2500Pa時(shí)保壓10?40min，離心甩漿，在90?110°C條件下干燥12?24h，得到碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷坯體。
[0008]步驟四、將所述碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷坯體置入高溫爐內(nèi)，于空氣氣氛下，以2?5°C/min的速率升溫至1300?1500°C，保溫2?4h，再隨爐冷卻至室溫，即得多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷。
[0009]所述碳化硅的平均粒度< 45μπι。
[0010]所述硅源為單質(zhì)硅、紅柱石和鋯英石的一種或兩種;單質(zhì)硅、紅柱石和鋯英石的平均粒徑< 20μπι。
[0011 ]所述氧化鋁微粉的平均粒度< 3μπι。
[0012]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下積極效果:
本發(fā)明將碳化硅、氧化鋁微粉、硅微粉、木質(zhì)素磺酸銨、聚羧酸鹽和水混勻，制得漿體I;將氧化鋁微粉、硅源、聚羧酸鹽和水混勻，制得漿體Π。再將聚氨酯海綿浸漬于漿體I中，擠壓或離心甩漿，干燥，600?850°C保溫0.5?3h，得到碳化硅泡沫陶瓷預(yù)燒體;然后用漿體Π對(duì)碳化硅泡沫陶瓷預(yù)燒體進(jìn)行真空浸漬，甩漿后干燥，得到碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷坯體;最后在空氣氣氛和1300?1500°C條件下保溫2?4h，制得多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷。由于本發(fā)明制備的多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷是基于毛細(xì)管力的吸附以及高溫空氣氣氛下的原位反應(yīng)燒結(jié)，不涉及特殊的噴涂工藝和保護(hù)性氣氛，故工藝簡(jiǎn)單和成本低。
[0013]本發(fā)明采用真空浸漬一原位燒結(jié)技術(shù)，在對(duì)碳化硅泡沫陶瓷進(jìn)行預(yù)燒的基礎(chǔ)上，通過(guò)真空浸漬使?jié){體Π浸滲到碳化硅孔筋內(nèi)部或附著在孔筋表面，對(duì)碳化硅孔筋因聚氨酯海綿的揮發(fā)而形成的孔洞及缺陷進(jìn)行填充與修復(fù)，能制備出多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷;另外，多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷坯體在高溫下會(huì)發(fā)生反應(yīng)燒結(jié)，通過(guò)原位反應(yīng)達(dá)到層與層間的結(jié)合，形成良好的界面特性，包括:在原碳化硅孔筋外表面形成連續(xù)、致密的莫來(lái)石涂層以及真空浸漬漿體Π在原碳化硅孔筋內(nèi)部孔洞生成的剛玉-莫來(lái)石。一方面，多層結(jié)構(gòu)賦予孔筋在機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力下能有效地對(duì)裂紋進(jìn)行偏轉(zhuǎn)或增加裂紋擴(kuò)展的路徑，顯著提高了材料的斷裂韌性，進(jìn)而亦提高了材料的抗熱震性能；其次，碳化硅孔筋被原位反應(yīng)燒結(jié)形成的剛玉-莫來(lái)石填充而密實(shí)化，在消除碳化硅孔筋的應(yīng)力集中的同時(shí)對(duì)碳化硅孔筋進(jìn)行增強(qiáng)，提高了多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷的力學(xué)性能；另一方面，在碳化硅孔筋表面原位形成的連續(xù)莫來(lái)石涂層，與碳化硅基體連接良好且能有效地阻擋高溫下氧氣對(duì)碳化硅孔筋的擴(kuò)散而造成碳化硅的氧化，起到優(yōu)良的抗氧化作用。
[0014]本發(fā)明制備的多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷，經(jīng)檢測(cè):常溫耐壓強(qiáng)度為2.5-3.2MPa; 1100°C水冷循環(huán)次數(shù)為15?20次;所述多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷在空氣氣氛下經(jīng)1500°C氧化10小時(shí)后SiC氧化率為1~5%。
[0015]因此，本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單和成本低的特點(diǎn)，所明制備的多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度高、抗熱震性能好和高溫抗氧化性能優(yōu)良。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明制備的一種多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷的孔筋斷口SEM形貌圖；
圖2為本發(fā)明制備的另一種多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷的滲膠孔筋截面的光片SEM圖；
圖3為圖2所示的多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷的滲膠孔筋截面的光片局部放大SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對(duì)其保護(hù)范圍的限制。
[0018]為避免重復(fù)，現(xiàn)將本【具體實(shí)施方式】所涉及原料的技術(shù)參數(shù)統(tǒng)一描述如下:
所述碳化娃的平均粒度S 45μηι。
[0019]所述單質(zhì)硅、紅柱石和鋯英石的平均粒徑< 20μπι。
[0020]所述氧化鋁微粉的平均粒度<3μπι。
[0021]實(shí)施例1
一種多層孔筋結(jié)構(gòu)的碳化硅基復(fù)合泡沫陶瓷及其制備方法。所述制備方法的步驟是:步驟一、將70?80份質(zhì)量的碳化硅、13?20份質(zhì)量的氧化鋁微粉和7?10份質(zhì)量的硅微粉混合，得混合粉I;再向混合粉I中加入0.5?2份質(zhì)量的木質(zhì)素磺酸銨、0.1?0.5份質(zhì)量的聚羧酸鹽、0.3?I份質(zhì)量的羧甲基纖維素和25?45份質(zhì)量的水，攪拌30?60min，制得漿體I。
[0022]步驟二、將80?94份質(zhì)量的氧化鋁微粉與6?20份質(zhì)量的單質(zhì)硅混合，得混合粉Π，再向混合粉Π中加入0.3?I份質(zhì)量的聚羧酸鹽、0.01?0.06份質(zhì)量的無(wú)水乙醇和23?46份質(zhì)量的水，球磨2?4h，制得漿體Π。
[0023]步驟三、