一种采用泡沫浸渍‑高温烧结制备多孔碳化钛陶瓷的方法与流程

本发明属于多孔碳化钛陶瓷制备技术领域，具体涉及一种采用泡沫浸渍-高温烧结制备多孔碳化钛陶瓷的方法。

背景技术：

多孔陶瓷具有多孔材料的孔隙率高、比重低、比表面积大、比强度高、渗透性好、吸附性好等优点，同时又具有陶瓷材料的硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等优势。因此可用作催化剂载体、过滤装置、生物反应器、热交换器、气体传感器、气体分离器、热绝缘体、电容器、吸收剂、模具和外科植入物等，在环境保护、能源化工、航空航天及生物医学材料领域应用广泛；碳化钛具有高硬度、高熔点、耐磨损以及导电性等基本特征。因此多孔碳化钛陶瓷兼具了二者的特点，已经被应用于净化水质、催化剂载体或生物反应器、制备陶瓷-金属复合材料等方面。同时，碳化钛陶瓷在整形外科上的应用可以促进人体的骨整合，表明多孔碳化钛陶瓷具有良好的生物医学应用前景。

但是到目前为止，国内外关于多孔碳化钛陶瓷的研究方法还相对较少，而现有办法中也存在诸多问题。模板法需要碳化模板，再进行浸渗反应，过程复杂；自蔓延高温合成法过程不易控制；聚氨酯泡沫浸渍法加入了贵金属钼，或易氧化的金属钛。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种采用泡沫浸渍-高温烧结制备多孔碳化钛陶瓷的方法，该方法工艺简单，同时，由该方法制备的多孔碳化钛陶瓷具有三维立体网状骨架结构，组织形态良好。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种采用泡沫浸渍-高温烧结制备多孔碳化钛陶瓷的方法，包括以下步骤：

步骤一，聚氨酯泡沫的腐蚀处理：将聚氨酯泡沫浸泡在氢氧化钠水溶液中进行腐蚀，一段时间后，取出聚氨酯泡沫用蒸馏水清洗，然后进行烘干、备用；

步骤二，混合溶液的配置及搅拌：以聚乙烯醇水溶液为溶剂，TiC-Ni-C粉末为溶质配制混合溶液，TiC-Ni-C粉末包括碳化钛粉末、镍粉和石墨粉，且质量含量分别为(49％～89％)、(10％～50％)和1％，将配制好的混合溶液用恒温水浴磁力搅拌机搅拌；

步骤三，真空浸渍及干燥：将所述步骤一腐蚀处理过后的聚氨酯泡沫浸入步骤二得到的混合溶液中，然后放入真空设备中，在真空条件下浸渍30min，然后将经过真空浸渍处理的聚氨酯泡沫进行干燥；

步骤四，烧结：将所述步骤三得到的聚氨酯泡沫在真空环境下烧结，在烧结过程中，控制煅烧设备的控制开关，使煅烧设备以每分钟5℃±0.1℃的升温速率升温至400℃±20℃，然后调节煅烧设备控制开关，使煅烧设备以每分钟1℃～2℃的速率升温至800℃±20℃，调节煅烧设备控制开关，使煅烧设备在800℃±10℃下保温1h～2h，去除聚氨酯泡沫；接着，调节煅烧设备控制开关，使煅烧设备以每分钟5℃±0.1℃的升温速率升温至900℃±5℃，调节煅烧设备控制开关，使煅烧设备在900℃±5℃保温为0.5h～1h；再调节煅烧设备控制开关，使煅烧设备以每分钟5℃±0.1℃的升温速率升温至1200℃±10℃，调节煅烧设备控制开关，使煅烧设备在1200℃±10℃保温0.5h～1h；然后调节煅烧设备控制开关，使煅烧设备升温到1450℃～1600℃，并在1450℃～1600℃烧结温度下保温0.5h～3h；烧结完毕后，对煅烧设备进行降温，降温过程中，控制煅烧设备的控制开关，使煅烧设备在1200℃±10℃、900℃±5℃和400℃±20℃分别保温0.5h～1h，然后，关闭煅烧设备加热开关，炉冷至室温得到多孔碳化钛陶瓷。

进一步限定，所述聚氨酯泡沫孔径为1mm～8mm，这样的设计，可以得到孔隙率较好的多孔碳化钛陶瓷，且对TiC-Ni-C粉末的吸附性较好。

进一步限定，所述步骤一中氢氧化钠水溶液中氢氧化钠的质量分数为15％，这样的设计，对聚氨酯泡沫的腐蚀效果较好。

进一步限定，所述步骤一中聚氨酯泡沫在氢氧化钠水溶液中浸泡的时间为0.5h～2h，浸泡温度为60℃，这样的设计，可以对聚氨酯泡沫的腐蚀更加彻底。

进一步限定，所述步骤二中聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为4％，这样的设计，可以使TiC-Ni-C粉末在聚乙烯醇水溶液中混合更加均匀。

进一步限定，所述步骤二中混合液中TiC-Ni-C粉末的质量分数为50％～60％，这样的设计，可以有足够多的TiC-Ni-C粉末被吸附，并且混合液中TiC-Ni-C粉末的沉降速度较慢。

进一步限定，所述步骤二中用恒温水浴磁力搅拌机的搅拌时间为2h～4h，这样的设计，这样的设计，可以使TiC-Ni-C粉末的在聚乙烯醇水溶液中混合更加均匀。

进一步限定，所述步骤三中聚氨酯泡沫的干燥温度为78℃～82℃，这样的设计，干燥效率较高，温度较安全，且不会使聚氨酯泡沫变质。

进一步限定，所述步骤三中聚氨酯泡沫的干燥时间为6h～8h，这样的设计，可以使聚氨酯泡沫完全干燥。

进一步限定，所述步骤四中煅烧设备为真空碳炉管，这样的设计，煅烧效果好，得到的多孔碳化钛陶瓷性能较好。

采用上述技术方案的发明，

本发明的有益效果：

1、以碳化钛粉末、镍粉和石墨粉为原料，该方法工艺简单，成本低廉，易于推广应用；

2、以聚氨酯泡沫为模板，因此制备的多孔碳化钛陶瓷孔径可控，孔隙率高，孔结构为三维网状通孔结构；

3、根据不同的含量金属镍的添加，可以制备出不同孔隙率、抗压强度的多孔碳化钛陶瓷。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明一种采用泡沫浸渍-高温烧结制备多孔碳化钛陶瓷的方法实施例一所制备的多孔碳化钛陶瓷的宏观形貌(其中Ni质量分数为10％)；

图2为本发明一种采用泡沫浸渍-高温烧结制备多孔碳化钛陶瓷的方法实施例三所制备的多孔碳化钛陶瓷的宏观形貌(其中Ni质量分数为50％)；

图3为本发明一种采用泡沫浸渍-高温烧结制备多孔碳化钛陶瓷的方法实施例三所制备的多孔碳化钛陶瓷的微观形貌(其中Ni质量分数为50％)。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

实施例一

步骤一，聚氨酯泡沫的腐蚀处理：将聚氨酯泡沫浸泡温度为60℃、质量分数为15％的氢氧化钠水溶液中进行腐蚀，0.5h后，取出聚氨酯泡沫用蒸馏水清洗，然后进行烘干、备用；

步骤二，混合溶液的配置及搅拌：以质量分数为4％的聚乙烯醇水溶液为溶剂，TiC-Ni-C粉末为溶质配制TiC-Ni-C粉末质量分数为50％的混合溶液，TiC-Ni-C粉末包括碳化钛粉末、镍粉和石墨粉，其中质量含量分别为89％、10％和1％，将配制好的混合溶液用恒温水浴磁力搅拌机搅拌2h；

步骤三，真空浸渍及干燥：将所述步骤一腐蚀处理过后的聚氨酯泡沫浸入步骤二得到的混合溶液中，然后放入真空设备中，在真空条件下浸渍30min，然后将经过真空浸渍处理的聚氨酯泡沫在温度为80℃时干燥6小时；

步骤四，烧结：将所述步骤三得到的聚氨酯泡沫在真空环境下烧结，在烧结过程中，控制真空碳炉管的控制开关，使真空碳炉管以每分钟4.9℃的升温速率升温至380℃，然后调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟2℃的速率升温至810℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在810℃下保温1h，去除聚氨酯泡沫；接着，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟5℃的升温速率升温至900℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在900℃保温为0.5h；再调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟5℃的升温速率升温至1200℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在1200℃保温0.5h；然后调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管升温到1450℃，并在1450℃烧结温度下保温0.5h；烧结完毕后，对真空碳炉管进行降温，降温过程中，控制真空碳炉管的控制开关，使真空碳炉管在1200℃、900℃和600℃分别保温0.5h，然后，关闭真空碳炉管加热开关，炉冷至室温得到多孔碳化钛陶瓷。

实施例二

步骤一，聚氨酯泡沫的腐蚀处理：将聚氨酯泡沫浸泡温度为60℃、质量分数为15％的氢氧化钠水溶液中进行腐蚀，0.5h后，取出聚氨酯泡沫用蒸馏水清洗，然后进行烘干、备用；

步骤二，混合溶液的配置及搅拌：以质量分数为4％的聚乙烯醇水溶液为溶剂，TiC-Ni-C粉末为溶质配制TiC-Ni-C粉末质量分数为60％的混合溶液，TiC-Ni-C粉末包括碳化钛粉末、镍粉和石墨粉，其中质量含量分别为69％、30％和1％，将配制好的混合溶液用恒温水浴磁力搅拌机搅拌4h；

步骤三，真空浸渍及干燥：将所述步骤一腐蚀处理过后的聚氨酯泡沫浸入步骤二得到的混合溶液中，然后放入真空设备中，在真空条件下浸渍30min，然后将经过真空浸渍处理的聚氨酯泡沫在温度为82℃时干燥8小时；

步骤四，烧结：将所述步骤三得到的聚氨酯泡沫在真空环境下烧结，在烧结过程中，控制真空碳炉管的控制开关，使真空碳炉管以每分钟5.1℃的升温速率升温至420℃，然后调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟1.5℃的速率升温至820℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在820℃下保温1h，去除聚氨酯泡沫；接着，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟4.9℃的升温速率升温至905℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在905℃保温为1h；再调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟5℃的升温速率升温至1210℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在1210℃保温1h；然后调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管升温到1600℃，并在1600℃烧结温度下保温3h；烧结完毕后，对真空碳炉管进行降温，降温过程中，控制真空碳炉管的控制开关，使真空碳炉管在1200℃、900℃和600℃分别保温1h，然后，关闭真空碳炉管加热开关，炉冷至室温得到多孔碳化钛陶瓷。

实施例三

步骤一，聚氨酯泡沫的腐蚀处理：将聚氨酯泡沫浸泡温度为60℃、质量分数为15％的氢氧化钠水溶液中进行腐蚀，2h后，取出聚氨酯泡沫用蒸馏水清洗，然后进行烘干、备用；

步骤二，混合溶液的配置及搅拌：以质量分数为4％的聚乙烯醇水溶液为溶剂，TiC-Ni-C粉末为溶质配制TiC-Ni-C粉末质量分数为55％的混合溶液，TiC-Ni-C粉末包括碳化钛粉末、镍粉和石墨粉，其中质量含量分别为49％、50％和1％，将配制好的混合溶液用恒温水浴磁力搅拌机搅拌3h；

步骤三，真空浸渍及干燥：将所述步骤一腐蚀处理过后的聚氨酯泡沫浸入步骤二得到的混合溶液中，然后放入真空设备中，在真空条件下浸渍30min，然后将经过真空浸渍处理的聚氨酯泡沫在温度为80℃时干燥8小时；

步骤四，烧结：将所述步骤三得到的聚氨酯泡沫在真空环境下烧结，在烧结过程中，控制真空碳炉管的控制开关，使真空碳炉管以每分钟5℃的升温速率升温至420℃，然后调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟2℃的速率升温至800℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在800℃下保温1h，去除聚氨酯泡沫；接着，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟5℃的升温速率升温至905℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在905℃保温为1h；再调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管以每分钟5℃的升温速率升温至1200℃，调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管在1200℃保温0.5h；然后调节真空碳炉管控制开关，使真空碳炉管升温到150℃，并在1500℃烧结温度下保温2h；烧结完毕后，对真空碳炉管进行降温，降温过程中，控制真空碳炉管的控制开关，使真空碳炉管在1200℃、900℃和600℃分别保温0.5h，然后，关闭真空碳炉管加热开关，炉冷至室温得到多孔碳化钛陶瓷。

将实施例一、实施例二和实施例三得到的多孔碳化钛陶瓷进行孔隙和抗压强度测试，得到的数据见表1；

表1不同Ni含量的多孔碳化钛陶瓷的性能测试

从表一可以看出，孔隙随着Ni的质量分数的增加而减小，抗压强度随着Ni的质量分数的增加而增大，因此可以根据实际情况选择添加不同金属Ni的质量分数含量，可以制备出不同孔隙率、抗压强度的多孔碳化钛陶瓷。

根据图1、图2和图3所示，由图1可以看出，多孔碳化钛陶瓷表面组织形态良好，断口处聚氨酯泡沫分解所留下的孔隙有一部分被填充，还存在一定的空隙；由图2多孔碳化钛陶瓷表面组织形态良好，断口处聚氨酯泡沫分解所留下的孔隙几乎被完全填充；由图3可知，镍(白色)均有的分布在碳化钛(灰色)周围，可以很好地起到粘结作用。微观孔隙(黑色)尺寸较小且分布均匀，因此该碳化钛多孔陶瓷具有较高的强度，其抗压强度为9.1MPa。从图1和图2可以看出，本发明所制备的多孔碳化钛陶瓷，孔结构为三维网状通孔结构。

综上所述，本发明以碳化钛粉末、镍粉和石墨粉为原料，该方法工艺简单，成本低廉，易于推广应用；以聚氨酯泡沫为模板，因此制备的多孔碳化钛陶瓷孔径可控，孔隙率高，孔结构为三维网状通孔结构；可以根据不同的含量金属镍的添加，制备出不同孔隙率、抗压强度的多孔碳化钛陶瓷。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。