多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于泡沫陶瓷技术领域。尤其涉及一种多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着能源消耗及环境污染日益严重，工业上对高效环保的燃烧技术的需求逐渐增强。多孔介质燃烧具有稳定性好、效率高、可燃极限宽和污染物(特别是NOx和CO)排放低的显著优点，是一种集节能、减排和环保于一身的燃烧技术。泡沫陶瓷因耐高温、化学性能稳定和对气体的压力损失小的优点被广泛用作多孔介质燃烧器。但是，通过有机泡沫浸渍法制备的泡沫陶瓷由于有机模板的分解形成的中空孔筋以及在孔筋表面残留大量的缺陷，致使泡沫陶瓷的力学性能及抗热震性能差。碳化硅自身的高热导率和低线膨胀率赋予碳化硅泡沫陶瓷优异的热震稳定性能，被认为是制备多孔介质燃烧器用泡沫陶瓷最有前途的材料。然而，碳化硅泡沫陶瓷在高温、富氧环境下的氧化造成碳化硅泡沫陶瓷的使用寿命大幅降低。
[0003]目前技术人员为解决碳化硅泡沫陶瓷的力学性能以及抗氧化性能差等问题进行了深入的研究和技术开发:
如专利“一种制备SiC泡沫陶瓷过滤器的方法”(CN102503520B)的专利技术，公开了一种采用有机泡沫浸渍法制备碳化硅泡沫陶瓷，并添加锂基膨润土来实现液相烧结。此技术所制备的碳化硅泡沫陶瓷虽因材料中玻璃相的形成对提高材料的常温力学性能有利，但是玻璃相的产生会显著降低碳化硅泡沫陶瓷的抗热震性能；并且，采用此技术制备的碳化硅泡沫陶瓷，由于材料的孔筋呈中空状，极易产生应力集中，因此降低了材料的抗热冲击能力；
又如“提高碳化硅泡沫陶瓷高温抗氧化性能的表面涂层制备方法”(CN102503520B)的专利技术，公开了在惰性气氛或真空下，通过离子溅射镀膜机在碳化硅泡沫陶瓷表面溅射一层金属Al，然后在氧化气氛下经高温氧化制备致密的抗氧化涂层，具有良好的抗氧化性能。但是，此技术所需设备投入大、工艺复杂，并且仅单纯利用涂层提高碳化硅泡沫陶瓷的高温抗氧化性能而未兼顾碳化硅泡沫陶瓷的力学性能及抗热震性能。
【发明内容】
[0004]本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单和成本低的多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷的制备方法，用该方法制备的多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷强度高、抗热震性能好和抗氧化性能优良。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案的步骤是:
步骤一、将70?90份质量的碳化硅、8?20份质量的氧化铝微粉和2?10份质量的硅微粉混合，得混合粉I;再向混合粉I中加入0.5?2份质量的木质素磺酸铵、0.1?0.5份质量的聚羧酸盐、0.3?I份质量的羧甲基纤维素和25?45份质量的水，搅拌30?60min，制得浆体I。
[0006]步骤二、将65?94份质量的氧化铝微粉与6?35份质量的硅源混合，得混合粉Π，再向混合粉Π中加入0.3?I份质量的聚羧酸盐、0.01?0.06份质量的无水乙醇和23?46份质量的水，球磨2?4h，制得浆体Π。
[0007]步骤三、将聚氨酯海绵浸入所述浆体I中，浸渍10?30min，挤压或离心甩浆，在90?110°C干燥12?24h;再以I?3°C/min的速率升温至600?850°C，保温0.5?3h，得到碳化硅泡沫陶瓷预烧体;然后将所述碳化硅泡沫陶瓷预烧体浸入浆体Π中，抽真空至剩余压力为500?2500Pa时保压10?40min，离心甩浆，在90?110°C条件下干燥12?24h，得到碳化硅基复合泡沫陶瓷坯体。
[0008]步骤四、将所述碳化硅基复合泡沫陶瓷坯体置入高温炉内，于空气气氛下，以2?5°C/min的速率升温至1300?1500°C，保温2?4h，再随炉冷却至室温，即得多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷。
[0009]所述碳化硅的平均粒度< 45μπι。
[0010]所述硅源为单质硅、红柱石和锆英石的一种或两种;单质硅、红柱石和锆英石的平均粒径< 20μπι。
[0011 ]所述氧化铝微粉的平均粒度< 3μπι。
[0012]由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下积极效果:
本发明将碳化硅、氧化铝微粉、硅微粉、木质素磺酸铵、聚羧酸盐和水混匀，制得浆体I;将氧化铝微粉、硅源、聚羧酸盐和水混匀，制得浆体Π。再将聚氨酯海绵浸渍于浆体I中，挤压或离心甩浆，干燥，600?850°C保温0.5?3h，得到碳化硅泡沫陶瓷预烧体;然后用浆体Π对碳化硅泡沫陶瓷预烧体进行真空浸渍，甩浆后干燥，得到碳化硅基复合泡沫陶瓷坯体;最后在空气气氛和1300?1500°C条件下保温2?4h，制得多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷。由于本发明制备的多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷是基于毛细管力的吸附以及高温空气气氛下的原位反应烧结，不涉及特殊的喷涂工艺和保护性气氛，故工艺简单和成本低。
[0013]本发明采用真空浸渍一原位烧结技术，在对碳化硅泡沫陶瓷进行预烧的基础上，通过真空浸渍使浆体Π浸渗到碳化硅孔筋内部或附着在孔筋表面，对碳化硅孔筋因聚氨酯海绵的挥发而形成的孔洞及缺陷进行填充与修复，能制备出多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷;另外，多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷坯体在高温下会发生反应烧结，通过原位反应达到层与层间的结合，形成良好的界面特性，包括:在原碳化硅孔筋外表面形成连续、致密的莫来石涂层以及真空浸渍浆体Π在原碳化硅孔筋内部孔洞生成的刚玉-莫来石。一方面，多层结构赋予孔筋在机械应力或热应力下能有效地对裂纹进行偏转或增加裂纹扩展的路径，显著提高了材料的断裂韧性，进而亦提高了材料的抗热震性能；其次，碳化硅孔筋被原位反应烧结形成的刚玉-莫来石填充而密实化，在消除碳化硅孔筋的应力集中的同时对碳化硅孔筋进行增强，提高了多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷的力学性能；另一方面，在碳化硅孔筋表面原位形成的连续莫来石涂层，与碳化硅基体连接良好且能有效地阻挡高温下氧气对碳化硅孔筋的扩散而造成碳化硅的氧化，起到优良的抗氧化作用。
[0014]本发明制备的多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷，经检测:常温耐压强度为2.5-3.2MPa; 1100°C水冷循环次数为15?20次;所述多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷在空气气氛下经1500°C氧化10小时后SiC氧化率为1~5%。
[0015]因此，本发明具有工艺简单和成本低的特点，所明制备的多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷的机械强度高、抗热震性能好和高温抗氧化性能优良。
【附图说明】
[0016]图1为本发明制备的一种多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷的孔筋断口SEM形貌图；
图2为本发明制备的另一种多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷的渗胶孔筋截面的光片SEM图；
图3为图2所示的多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷的渗胶孔筋截面的光片局部放大SEM图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
[0018]为避免重复，现将本【具体实施方式】所涉及原料的技术参数统一描述如下:
所述碳化娃的平均粒度S 45μηι。
[0019]所述单质硅、红柱石和锆英石的平均粒径< 20μπι。
[0020]所述氧化铝微粉的平均粒度<3μπι。
[0021]实施例1
一种多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷及其制备方法。所述制备方法的步骤是:步骤一、将70?80份质量的碳化硅、13?20份质量的氧化铝微粉和7?10份质量的硅微粉混合，得混合粉I;再向混合粉I中加入0.5?2份质量的木质素磺酸铵、0.1?0.5份质量的聚羧酸盐、0.3?I份质量的羧甲基纤维素和25?45份质量的水，搅拌30?60min，制得浆体I。
[0022]步骤二、将80?94份质量的氧化铝微粉与6?20份质量的单质硅混合，得混合粉Π，再向混合粉Π中加入0.3?I份质量的聚羧酸盐、0.01?0.06份质量的无水乙醇和23?46份质量的水，球磨2?4h，制得浆体Π。
[0023]步骤三、