一种无压烧结碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高温结构陶瓷生产技术领域，具体涉及一种无压烧结碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002]碳化硅(SiC)及其泡沫陶瓷是一种重要的高温结构陶瓷。作为未来有可能用于摩擦材料领域的金属/陶瓷复合材料的基础材料，在采用真空一压力铸造、压力制造、低压铸造、负压铸造、重力铸造等方法，将其与金属(黑色金属、有色金属)复合时，为防止其与金属发生反应，对其表面性能、致密度、强度等提出了很高的要求。而目前在研的用于过滤器的碳化硅泡沫陶瓷，主要是在1400°C左右的氧化气氛下，用其它组分将碳化硅细粉烧制粘接在一起，碳化硅含量一般低于75%，且表面粗糙、强度低。而本发明碳化硅泡沫陶瓷，是使用碳化硅含量在95%以上的陶瓷浆料与聚氨酯前躯体通过浸渍、淋浆等方法辊压复合、干燥，再淋浆、干燥后，在氩气气氛下经高温无压烧结制成。而要想采用辊压的方法将碳化硅陶瓷浆料与聚氨酯前躯体复合，就必须先制备出粘度适中、触变性好、固相含量高的碳化硅浆料。而且，由于碳化硅具有很强的共价键，很难烧结致密，特别是碳化硅的无压烧结，必须采用亚微米级别的碳化硅超细粉，并添加硼、碳等烧结助剂，或是氧化铝、氧化钇在1700~2300°C烧结，才能完成致密化过程。但是，随着碳化硅粒度的降低，粉体的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，表现出很高的化学活性，微粒间团聚严重，使硼、碳或氧化铝、氧化钇等烧结助剂不容易均匀分散于浆料中，这将严重影响碳化硅陶瓷烧结体微观结构的均匀性。因此，克服微粒间团聚，制备低粘适中、触变性好、固相含量高，烧结助剂和碳化硅超细粉分散良好、均匀的浆料非常重要。
[0003]很多研究表明，加入C元素及其化合物都可促进SiC陶瓷的固相烧结。加入氧化铝、氧化钇可以促进SiC陶瓷的液相烧结。其中，添加C元素有利于除去SiC粉末表面的S12,提高粉体表面能，提高粉体的烧结活性。目前，关于这方面的研究有如下现有技术:CN1325832A、专利 CN101708402A、CN102101785A、CN101830704A、CN103011887A、CN103253980A、CN103964887A和CN103787689A，主要以添加含碳的液体有机物(例如酚醛树脂，聚碳硅烷等)作为碳化硅的烧结助剂。但是，采用传统的含碳的液体有机物作为添加剂的缺点有两个，其一是含碳的液体有机物在合成反应时的触媒或是环境可能会造成其烧蚀后的残碳含量有变化，生产中容易出现缺碳或者富碳现象，严重影响碳化硅陶瓷制品的烧结质量；其二是用于稀释含碳的液体的有机物易燃易爆，不易于储存和运输，而水溶性含碳的液体(如水溶性酚醛树脂)受合成反应时的触媒、酸碱度和环境影响很大，难于长期保存。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种用糖烧蚀后的残碳作为碳源引入亚微米级SiC超细粉中，获得高分散、低粘度、高触变、高固含的亚微米级SiC浆料，并将其与聚氨酯泡沫辊压复合，经无压烧结制备碳化硅泡沫陶瓷的方法，其具备安全性高，所制备的碳化硅泡沫陶瓷中碳化硅固相含量高的特点。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
本发明一方面提供了一种无压烧结碳化硅泡沫陶瓷，其关键技术在于，陶瓷均匀浆料包括以下重量份的组分:
主料100份；
分散剂0.1-1.5份；
增塑剂0.1-1.5份；
羧甲基纤维素 0.1~1.5份；
粘结剂10~45份；
消泡剂0.1-1.5份；
所述的主料为按重量百分比为如下的组份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，烧蚀后残碳量占碳化硅粉体重量1.5-9.5 wt.%的糖。
[0006]上述无压烧结碳化硅泡沫陶瓷，通过以下步骤制备:
(1)按以下重量份称取原料:
主料100份；
分散剂0.1-1.5份；
增塑剂0.1-1.5份；
羧甲基纤维素 0.1~1.5份；
粘结剂10~45份；
消泡剂0.1-1.5份；
所述的主料为按重量百分比为如下的组份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，烧蚀后残碳量占碳化硅粉体重量1.5-9.5 wt.%的糖；
(2)均匀浆料的制备:
将步骤⑴的原料加入球磨桶中，配制成固相含量为65 -88 wt.%的浆料，用碱将浆料pH值调至9~12，经真空球磨后形成均匀浆料；
(3)将步骤(2)得到的均匀浆料采用浸渍或淋浆的方法与经表面处理后的聚氨酯泡沫，通过棍压、吹气、干燥；再淋楽、吹气、干燥结合在一起；
(4)采用无压烧结方法制得碳化硅固相含量97.5-99.5%的碳化硅泡沫陶瓷。
[0007]本发明另外一方面提供了一种无压烧结碳化硅泡沫陶瓷，其包括以下步骤:
(I)按以下重量份称取原料:
主料100份；
分散剂0.1-1.5份；
增塑剂0.1-1.5份；
羧甲基纤维素 0.1~1.5份；
粘结剂10~45份；
消泡剂0.1-1.5份；
所述的主料为按重量百分比为如下的组份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，烧蚀后残碳量占碳化硅粉体重量1.5-9.5 wt.%的糖； (2)均匀浆料的制备:
将步骤⑴的原料加入球磨桶中，配制成固相含量为65 -88 wt.%的浆料，用碱将浆料pH值调至9~12，经真空球磨后形成均匀浆料；
(3)将步骤(2)得到的均匀浆料采用浸渍或淋浆的方法与经表面处理后的聚氨酯泡沫结合，再通过辊压、吹气、干燥；再淋浆、吹气、干燥成型；
(4)采用无压烧结方法制得碳化硅固相含量97.5-99.5%的碳化硅泡沫陶瓷。
[0008]作为本发明进一步的改进，步骤(I)中碳化娃的平均粒径在0.1?1.5 μπι，纯度95-99% ;碳化硼粉末的平均粒度0.3-3.5 μ m ;纯度85~95%。
[0009]作为本发明进一步的改进，步骤(I)中的糖选自单糖、双糖或多糖。其烧蚀后的残碳含量在20~45 wt.% ；
作为本发明进一步的改进，步骤(2)中聚氨酯泡沫的孔径为5?50ppi，表面使用质量百分比为0.05?2.0%的羧甲基纤维素(CMC)水溶液进行植绒处理。
[0010]作为本发明进一步的改进，步骤(I)中粘结剂为聚乙烯醇水溶液，溶液浓度为2?9wt.%o
[0011]作为本发明进一步的改进，步骤(I)中分散剂的化学成分为氨基醇。作为本发明进一步的改进，步骤(I)中增塑剂的化学成分为由十个分子以上单糖缩合成的多糖高聚物或纤维素衍生物。
[0012]作为本发明进一步的改进，步骤(I)中消泡剂为BYK型。
[0013]作为本发明进一步的改进，步骤⑵中真空球磨时间为2~12小时，磨球的化学成分为氧化铝、氧化锆或碳化硅，磨球和浆料的重量比为(1~3):1，真空度为100~1000 Pa。
[0014]作为本发明进一步的改进，步骤(4)中无压烧结是指在1700~2300°C，氩气气氛下保温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]上述的氨基醇选自以下化合物: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，羟苯乙醇胺，1-(4-羟基苯基)-2-氨基乙醇，N-苄基-N-甲基乙醇胺等，由此扩展到所有带氨基的醇类。
[0016]上述多糖高聚物为由十个分子以上单糖缩合成的多糖高聚物。
[0017]上述纤维素衍生物包括:纤维素醚和纤维素酯以及纤维素醚酯三大类。主要包括:纤维素硝酸酯、纤维素乙酸酯、纤维素乙酸丁酸酯和纤维素黄酸酯。纤维素醚类有:甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、氰乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素等。
[0018]至目前为止，制备高纯度的碳化硅陶瓷浆料主要用于喷雾造粒，或是注浆凝胶成型，鲜有使用高纯度碳化硅陶瓷浆料制备泡沫陶瓷的报道。为了发明安全、高效的制备用于摩擦复合材料的无压烧结碳化硅泡沫陶瓷的方法，发明人进行了大量的研究，包括使用水溶性酚醛树脂、糠醛树脂等进行碳的引入。结果，发明人发现采用糖烧蚀后的碳作为烧结助剂，不但可以准确且稳定地引入确定含量的碳，而且由于其有着不燃不爆、易于储存和运输的优势。正当发明人欣喜于这一发现时，却发现采用糖烧蚀后的碳作为烧结助剂，对于使