一種先驅(qū)體轉(zhuǎn)化碳化硅泡沫陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳化硅泡沫陶瓷，尤其是涉及一種先驅(qū)體轉(zhuǎn)化碳化硅泡沫陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)泡沫陶瓷由于具有高滲透性、高比表面積、低密度、低熱導(dǎo)率、耐高溫、耐腐蝕等特性，可被廣泛應(yīng)用于金屬過濾器、催化劑載體、隔熱節(jié)能、消除噪音以及生物移植等領(lǐng)域(朱新文，江東亮，有機泡沫浸漬工藝-一種經(jīng)濟實用的多孔陶瓷制備工藝，硅酸鹽通報，2000，3:45-51 ;蔡紅玉，何秀蘭，唐麗娜.碳化硅泡沫陶瓷的顯微組織與力學(xué)性能研究[J].中國陶瓷，2013，5 (49): 22-24 ；KIM Yff, JINYJ.Engineering Porosity in Silicon Carbide Ceramics[J].Journal of MaterialsScience, 2010, 45:2808-2815 ;李俊峰，林紅，碳化硅多孔陶瓷氣孔率和強度影響因素[J]。無機材料學(xué)報，2011，26(9):32-35)。采用有機泡沫浸漬法制備泡沫陶瓷是目前工業(yè)化生產(chǎn)使用最廣泛的方法。目前報道的有機泡沫浸漬法大多是以SiC陶瓷泥漿為原料，將其掛漿于聚氨酯等有機泡沫模板，而后通過脫模、燒結(jié)等一些列工序，最后得到SiC泡沫陶瓷。
[0003]由于SiC為強共價鍵結(jié)構(gòu)，鍵能高，自擴散系數(shù)低，使SiC陶瓷漿料在低溫下很難燒結(jié)成制品，這就限制了陶瓷泥漿轉(zhuǎn)化法制備泡沫陶瓷的應(yīng)用。另外，對于一些具有特殊化學(xué)組成的碳化娃系泡沫陶瓷(P Colombo, M Modesti, Silicon Oxycarbide CeramicFoams from a Preceramic Polymer[J].J.Am.Ceram.Soc., 1999, 82(3):573-578)如S1C, S1CN等，它們通常具有較好的機械性能、高溫穩(wěn)定性、抗氧化及耐腐蝕性，是一種潛在的高溫結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用材料(田浩，胡平淳，馬青松，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備泡沫陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀，硅酸鹽通報，2011，30 (2):362-366)，但是按照傳統(tǒng)的陶瓷泥漿轉(zhuǎn)化法無法制備出這種亞穩(wěn)相的泡沫陶瓷。因此，探索和開發(fā)新的泡沫陶瓷制備方法成為國內(nèi)外泡沫陶瓷研究者的努力方向。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備泡沫陶瓷是20世紀(jì)末才出現(xiàn)的一種新型工藝，它具有制備溫度低、陶瓷組成可設(shè)計、可成型復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點，成為目前泡沫陶瓷制備方法中的一個研究熱點。此方法是以有機泡沫(如聚氨酯)為模板，陶瓷先驅(qū)體與陶瓷微粉的混合液為漿料，經(jīng)掛漿、輥壓(或離心)、干燥得到泡沫陶瓷預(yù)成型體，最后在一定的升溫制度下排塑、燒成，得到泡沫陶瓷。Nanggrejo等(Nangrejo MR, BaoX, EdirisingheMJ.Siliconcarbide-titanium carbide composite foams produced using a polymericprecursor[J].J.1norganic Mater., 2001, 3:37-45 ；Nangrejo M R, Bao X,EdirisingheMJ.Preparat1n of silicon carbide - silicon nitride composite foams frompre-ceramic polymers [J].J.Eur.Ceram.Soc., 2000, 20:1777-1785)以聚氨酯為模板，聚硅烷為先驅(qū)體，TiC和Si3N4微粉為填料，分別制備得到了 SiC-TiC和SiC-Si 3N4復(fù)相泡沫陶瓷。制備的泡沫陶瓷呈明顯的開孔結(jié)構(gòu)，孔筋中無肉眼可見的缺陷。通過控制先驅(qū)體的濃度、填料含量以及燒結(jié)溫度來控制泡沫體的收縮、氣孔率，使所得泡沫陶瓷的氣孔率在85%?96%之間，并低于1600°C的高溫下都不發(fā)生變化。國內(nèi)，劉洪麗等(劉洪麗，鐘文武，高晶，等.納米SiC填料對S1C泡沫陶瓷性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2008，29(5):597-600)選取不同種類的先驅(qū)體(包括填料)，按照上述方法制備得到了不同組成的碳化硅基泡沫陶瓷(S1C、S1C-SiC),通過控制先驅(qū)體的裂解溫度、填料的含量、浸漬-裂解增強處理次數(shù)等工藝參數(shù)來控制泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)及性能。制備的泡沫陶瓷呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，孔筋致密，貫通性良好，孔隙率在80%?88%之間，孔徑范圍在100?500 μ mD
[0004]目前，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備多孔碳化硅陶瓷研究涉及的技術(shù)路線，雖然一定程度地發(fā)揮了有機先驅(qū)體粘結(jié)性能好、陶瓷化溫度低的優(yōu)點，但是漿料原料需包含一種或多種陶瓷粉體作為骨料，這勢必增加了原料成本；在配置漿料的過程中，無機粉體骨料與有機先驅(qū)體的難以達到高度均勻的混合效果。此外，陶瓷漿料與有機模板的界面不相容性也顯著抑制了泡沫陶瓷制品的性能提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供無需添加陶瓷粉體，工藝簡單，成本低廉，適合高性能碳化硅泡沫陶瓷的一種先驅(qū)體轉(zhuǎn)化碳化硅泡沫陶瓷的制備方法。
[0006]本發(fā)明包括以下步驟:
[0007]1)制備固態(tài)聚碳硅烷；
[0008]2)將固態(tài)聚碳硅烷與二甲苯溶液混合，得漿料A ;
[0009]3)將聚氨酯有機泡沫置于氫氧化鈉溶液中靜置，去除多余的有機泡沫間膜，然后將泡沫取出，洗凈，獲得預(yù)處理的聚氨酯有機泡沫模板；
[0010]4)將步驟3)預(yù)處理的聚氨酯有機泡沫模板置于步驟2)所得漿料A中，利用平板模具反復(fù)碾壓，使?jié){料A浸潤預(yù)處理的聚氨酯有機泡沫模板，而后排除多余漿料A，形成掛漿產(chǎn)物A ;
[0011]5)在固態(tài)聚碳硅烷中繼續(xù)加入二甲苯，得漿料B;
[0012]6)將掛漿產(chǎn)物置于漿料B中浸漬，離心，得掛漿產(chǎn)物B，完成二次掛漿；
[0013]7)將掛漿產(chǎn)物B放入鼓風(fēng)烘箱中，在流動空氣中升溫到180?200°C，并保溫1?5h，使?jié){料交聯(lián)固化，獲得產(chǎn)物G ;
[0014]8)將產(chǎn)物G放入高溫爐中，然后在隊氣氛下以2°C /min的速度升溫至500°C，再以5°C /min的速度升溫至800?1200°C，保溫0.5?5h，即得先驅(qū)體轉(zhuǎn)化碳化硅泡沫陶瓷。
[0015]在步驟1)中，所述制備固態(tài)聚碳娃燒可采用Yajima(S.Yajima, J.Hayashi andM.0mori, Chemical Letters, 1975:931)的方法制備固態(tài)聚碳娃燒，所述固態(tài)聚碳娃燒的數(shù)均分子量Μη可為900?1200，軟化點可為180?250°C。
[0016]在步驟2)中，所述漿料A的粘度可為1?3Pa.S。
[0017]在步驟3)中，所述聚氨酯有機泡沫可采用孔徑為0.2?0.8mm的聚氨酯有機泡沫；所述氫氧化鈉溶液的質(zhì)量百分濃度可為15% ;所述靜置的時間可為2?5h。
[0018]在步驟4)中，所述排除多余漿料A可采用碾壓排除多余漿料A，而后在空氣中室溫下靜置24h ;或
[0019]采用離心排除多余漿料A，而后在80°C烘干5h以上。
[0020]在步驟5)中，所述漿料B的粘度可為0.3?2Pa.S。
[0021]在步驟6)中，所述浸漬的時間可為20min以上；所述完成二次掛漿可在空氣中室溫下靜置24h或在80°C烘干5h以上。
[0022]在步驟7)中，所述升溫的速度可為1°C /min ;所述使?jié){料交聯(lián)固化中PCS發(fā)生氧化，S1-H鍵被氧化形成S1-Ο鍵，導(dǎo)致不同PCS分子之間產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)，使熱塑性的PCS變成熱固性，避免漿料在后續(xù)的高溫?zé)崽幚磉^程中融化而不能復(fù)制基體模板的結(jié)構(gòu)。
[0023]可利用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1966-1996測試其顯氣孔率和容重。
[0024]本發(fā)明提供了一種無需添加陶瓷骨料，通過調(diào)整有機先驅(qū)體與溶劑配比，利用先驅(qū)體與溶劑直接配制漿料，制備泡沫陶瓷的新方法。該方法工藝簡單、成本低、泡沫陶瓷制品性能好，可以用作金屬過濾器、催化劑載體及吸聲材料等，具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力。
[0025]通過調(diào)節(jié)有機先驅(qū)體與溶劑的配比，獲得適宜粘度(固含量)的漿料，將其掛漿于有機泡沫模板，而后通過漿料固化、脫模