一种先驱体转化碳化硅泡沫陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳化硅泡沫陶瓷，尤其是涉及一种先驱体转化碳化硅泡沫陶瓷的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳化硅(SiC)泡沫陶瓷由于具有高渗透性、高比表面积、低密度、低热导率、耐高温、耐腐蚀等特性，可被广泛应用于金属过滤器、催化剂载体、隔热节能、消除噪音以及生物移植等领域(朱新文，江东亮，有机泡沫浸渍工艺-一种经济实用的多孔陶瓷制备工艺，硅酸盐通报，2000，3:45-51 ;蔡红玉，何秀兰，唐丽娜.碳化硅泡沫陶瓷的显微组织与力学性能研究[J].中国陶瓷，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，林红，碳化硅多孔陶瓷气孔率和强度影响因素[J]。无机材料学报，2011，26(9):32-35)。采用有机泡沫浸渍法制备泡沫陶瓷是目前工业化生产使用最广泛的方法。目前报道的有机泡沫浸渍法大多是以SiC陶瓷泥浆为原料，将其挂浆于聚氨酯等有机泡沫模板，而后通过脱模、烧结等一些列工序，最后得到SiC泡沫陶瓷。
[0003]由于SiC为强共价键结构，键能高，自扩散系数低，使SiC陶瓷浆料在低温下很难烧结成制品，这就限制了陶瓷泥浆转化法制备泡沫陶瓷的应用。另外，对于一些具有特殊化学组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，它们通常具有较好的机械性能、高温稳定性、抗氧化及耐腐蚀性，是一种潜在的高温结构和功能应用材料(田浩，胡平淳，马青松，先驱体转化法制备泡沫陶瓷的发展现状，硅酸盐通报，2011，30 (2):362-366)，但是按照传统的陶瓷泥浆转化法无法制备出这种亚稳相的泡沫陶瓷。因此，探索和开发新的泡沫陶瓷制备方法成为国内外泡沫陶瓷研究者的努力方向。先驱体转化法制备泡沫陶瓷是20世纪末才出现的一种新型工艺，它具有制备温度低、陶瓷组成可设计、可成型复杂构件等优点，成为目前泡沫陶瓷制备方法中的一个研究热点。此方法是以有机泡沫(如聚氨酯)为模板，陶瓷先驱体与陶瓷微粉的混合液为浆料，经挂浆、辊压(或离心)、干燥得到泡沫陶瓷预成型体，最后在一定的升温制度下排塑、烧成，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)以聚氨酯为模板，聚硅烷为先驱体，TiC和Si3N4微粉为填料，分别制备得到了 SiC-TiC和SiC-Si 3N4复相泡沫陶瓷。制备的泡沫陶瓷呈明显的开孔结构，孔筋中无肉眼可见的缺陷。通过控制先驱体的浓度、填料含量以及烧结温度来控制泡沫体的收缩、气孔率，使所得泡沫陶瓷的气孔率在85%?96%之间，并低于1600°C的高温下都不发生变化。国内，刘洪丽等(刘洪丽，钟文武，高晶，等.纳米SiC填料对S1C泡沫陶瓷性能的影响[J].铸造技术，2008，29(5):597-600)选取不同种类的先驱体(包括填料)，按照上述方法制备得到了不同组成的碳化硅基泡沫陶瓷(S1C、S1C-SiC),通过控制先驱体的裂解温度、填料的含量、浸渍-裂解增强处理次数等工艺参数来控制泡沫陶瓷的结构及性能。制备的泡沫陶瓷呈三维网状结构，孔筋致密，贯通性良好，孔隙率在80%?88%之间，孔径范围在100?500 μ mD
[0004]目前，先驱体转化制备多孔碳化硅陶瓷研究涉及的技术路线，虽然一定程度地发挥了有机先驱体粘结性能好、陶瓷化温度低的优点，但是浆料原料需包含一种或多种陶瓷粉体作为骨料，这势必增加了原料成本；在配置浆料的过程中，无机粉体骨料与有机先驱体的难以达到高度均匀的混合效果。此外，陶瓷浆料与有机模板的界面不相容性也显著抑制了泡沫陶瓷制品的性能提升。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供无需添加陶瓷粉体，工艺简单，成本低廉，适合高性能碳化硅泡沫陶瓷的一种先驱体转化碳化硅泡沫陶瓷的制备方法。
[0006]本发明包括以下步骤:
[0007]1)制备固态聚碳硅烷；
[0008]2)将固态聚碳硅烷与二甲苯溶液混合，得浆料A ;
[0009]3)将聚氨酯有机泡沫置于氢氧化钠溶液中静置，去除多余的有机泡沫间膜，然后将泡沫取出，洗净，获得预处理的聚氨酯有机泡沫模板；
[0010]4)将步骤3)预处理的聚氨酯有机泡沫模板置于步骤2)所得浆料A中，利用平板模具反复碾压，使浆料A浸润预处理的聚氨酯有机泡沫模板，而后排除多余浆料A，形成挂浆产物A ;
[0011]5)在固态聚碳硅烷中继续加入二甲苯，得浆料B;
[0012]6)将挂浆产物置于浆料B中浸渍，离心，得挂浆产物B，完成二次挂浆；
[0013]7)将挂浆产物B放入鼓风烘箱中，在流动空气中升温到180?200°C，并保温1?5h，使浆料交联固化，获得产物G ;
[0014]8)将产物G放入高温炉中，然后在队气氛下以2°C /min的速度升温至500°C，再以5°C /min的速度升温至800?1200°C，保温0.5?5h，即得先驱体转化碳化硅泡沫陶瓷。
[0015]在步骤1)中，所述制备固态聚碳娃烧可采用Yajima(S.Yajima, J.Hayashi andM.0mori, Chemical Letters, 1975:931)的方法制备固态聚碳娃烧，所述固态聚碳娃烧的数均分子量Μη可为900?1200，软化点可为180?250°C。
[0016]在步骤2)中，所述浆料A的粘度可为1?3Pa.S。
[0017]在步骤3)中，所述聚氨酯有机泡沫可采用孔径为0.2?0.8mm的聚氨酯有机泡沫；所述氢氧化钠溶液的质量百分浓度可为15% ;所述静置的时间可为2?5h。
[0018]在步骤4)中，所述排除多余浆料A可采用碾压排除多余浆料A，而后在空气中室温下静置24h ;或
[0019]采用离心排除多余浆料A，而后在80°C烘干5h以上。
[0020]在步骤5)中，所述浆料B的粘度可为0.3?2Pa.S。
[0021]在步骤6)中，所述浸渍的时间可为20min以上；所述完成二次挂浆可在空气中室温下静置24h或在80°C烘干5h以上。
[0022]在步骤7)中，所述升温的速度可为1°C /min ;所述使浆料交联固化中PCS发生氧化，S1-H键被氧化形成S1-Ο键，导致不同PCS分子之间产生化学交联，使热塑性的PCS变成热固性，避免浆料在后续的高温热处理过程中融化而不能复制基体模板的结构。
[0023]可利用国家标准GB/T 1966-1996测试其显气孔率和容重。
[0024]本发明提供了一种无需添加陶瓷骨料，通过调整有机先驱体与溶剂配比，利用先驱体与溶剂直接配制浆料，制备泡沫陶瓷的新方法。该方法工艺简单、成本低、泡沫陶瓷制品性能好，可以用作金属过滤器、催化剂载体及吸声材料等，具有产业化应用的潜力。
[0025]通过调节有机先驱体与溶剂的配比，获得适宜粘度(固含量)的浆料，将其挂浆于有机泡沫模板，而后通过浆料固化、脱模