专利名称：高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法
技术领域：
本方明涉及一种高强度碳化硅多孔陶瓷及其制备方法，具体地说，是涉及一种汽车尾气净化、高温过滤、热交换等用途的碳化硅载体材料制备方法。
背景技术：
碳化硅多孔陶瓷是通过在碳化硅陶瓷基体中进行人为可控造孔而成、具有一定孔隙率的新型碳化硅功能材料，它不但具有碳化硅本身的高强度、抗腐蚀、抗氧化、抗热震性和耐高温性等物化性能，而且还具备低密度、高强度、高孔隙率、高渗透性、比表面积大、良好的隔热性等特点，可用作高温气体净化器、柴油机排放的固体颗粒过滤器、熔融金属过滤器、热交换器、传感器、保温和隔音材料、汽车尾气的催化剂载体等，在现代工业领域得到了广泛的应用。关于碳化硅多孔陶瓷获蜂窝陶瓷及其制备的专利已有较多报道。如公开号 CN1369463报道了含反应合成碳硼铝化合物相的碳化硅陶瓷及其液相烧结法。CN101333112 报道了制备碳化硅多孔陶瓷的燃烧合成法。CN101323524报道了一种定向排列孔碳化硅多孔陶瓷的制备方法。CN1442392报道了以酵母粉为造孔剂的碳化硅多孔陶瓷的制备方法。CN102219543A报道了一种可用作高温烟尘过滤器的碳化硅多孔陶瓷的制备方法。 CN1769241报道了原位反应法制备莫来石结合的碳化硅多孔陶瓷。CN1654432报道了一种氮化硅/碳化硅多孔陶瓷的制备方法。CN201780040U报道了碳化硅蜂窝陶瓷热交换器。 CN1807356和CN101747078A报道了纳米碳化硅助剂烧结高纯碳化硅蜂窝陶瓷体的制造方法。CN102010222A报道了一种碳化硅多孔陶瓷及其制备方法。CN101607158报道了一种碳化硅多孔陶瓷过滤器及其制造方法。CN101406782报道了碳化硅多孔陶瓷过滤元件的制备方法及挤压设备。CN1341578报道了一种制备碳化硅多孔陶瓷管的方法。上述专利在多孔陶瓷或蜂窝陶瓷及应用方面取得很好进展，但多孔陶瓷大多采用有机物造孔或原位反应来造孔或发泡造孔，在蜂窝陶瓷方面加入大量的有机物，这虽然造孔效果理想，但直接会导致多孔陶瓷或蜂窝陶瓷机械强度的降低，大多机械强度在20MPa 左右，有一些多孔陶瓷能虽能达到50MPa，但显气孔率明显很低(仅为20%左右)，这些都极大地限制多孔陶瓷或蜂窝陶瓷的应用。开发机械强度高、气孔率适中的碳化硅多孔陶瓷已成为该领域的发展方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法；该方法工艺简单，所制备的碳化硅多孔陶瓷具有机械强度高、孔隙率适中等特性。为了解决上述技术问题，本发明提供一种高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法， 以重量百分含量为98% 99%的由α-碳化硅粉体和β-碳化硅粉体组成的混合物、 0. 1.0%的二硼化铝以及0.5% 的聚碳硅烷组成原料，依次包括以下步骤1)、将上述原料加入到有机分散溶剂中，球磨混合后，在35 45°C进行干燥22 26小时，得到碳化硅复合粉体；2)、将上述碳化硅复合粉体于45 55MPa下进行干压成型，获得碳化硅坯体；3)、将上述碳化硅坯体放入真空无压烧结炉中，进行两步烧结，得到高强度碳化硅多孔陶瓷。作为本发明的高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法的改进由α-碳化硅粉体和 β -碳化硅粉体组成的混合物中，α -碳化硅粉体的重量含量为50% 90%，β -碳化硅粉体的重量含量为10% 50%。作为本发明的高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法的进一步改进两步烧结为先升温至1450 1500°C真空脱气3 5小时，然后升温至2150 2250°C于氩气保护下烧结 30 60分钟。作为本发明的高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法的进一步改进有机分散溶剂为由乙醇、二甲苯和正己烷组成的混合溶剂。乙醇、二甲苯和正己烷的体积比可为1 3 4 5 6。有机分散溶剂与原料的比例任意调配(一般与原料形成的料液比为Ig原料 /3 5毫升有机分散溶剂)。作为本发明的高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法的进一步改进步骤1)的球磨混合时间为24 28小时。本发明的方法工艺简单，所制备的碳化硅多孔陶瓷机械强度高、孔隙率适中，是汽车尾气净化载体、高温过滤、热交换理想的材料。本发明的高强度碳化硅多孔陶瓷具有以下优点1)利用碳化硅晶粒生长实现碳化硅陶瓷的致密，在高温下，β-碳化硅能转变为 α -碳化硅促进碳化硅晶粒生长，而二硼化铝也能促进碳化硅晶粒生长，利用碳化硅晶相转变和二硼化铝都能促进碳化硅晶粒生长的共同作用，从而实现碳化硅多孔陶瓷的烧结，这区别于其它采用烧结助剂进行烧结的方法。2)利用聚碳硅烷进行适当造孔，由于利用晶粒生长方式进行烧结已经使碳化硅多孔陶瓷有一定的孔隙率，再利用聚碳硅烷在高温下裂解成SiC，并借助其产生适当孔隙，而对碳化硅多孔陶瓷进行造孔控制，实现碳化硅多孔陶瓷孔隙率的可控。3)碳化硅多孔陶瓷的机械强度可达60MPa以上，气孔率在40% 55%之间，足以满足汽车尾气净化载体、高温过滤、热交换对材料机械性能和气孔率的要求，且生产工艺简单，能适应工业化生产。综上所述，本发明利用β -碳化硅在高温下转变为α -碳化硅可促进碳化硅晶粒生长，以及二硼化铝促进碳化硅晶粒生长的趋势，而实现碳化硅多孔陶瓷的烧结，而利用聚碳硅烷高温裂解成SiC并实现造孔，从而制备得到机械强度高、气孔率适中的碳化硅多孔陶瓷。该方法工艺简单，所制备的碳化硅多孔陶瓷机械强度高、孔隙率适中，是汽车尾气净化载体、高温过滤、热交换理想的材料。
具体实施例方式以下实施例中所用到的α -碳化硅粉体、β -碳化硅粉体、二硼化铝的平均粒径分别为0. 7 0. 8 μ mm、0. 2 0. 3 μ m、0. 4 0. 6 μ m，聚碳硅烷为液体。实施例1、一种高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，以重量百分含量为49. 5%α -碳化硅粉体、49. 4% β-碳化硅粉体、0. 二硼化铝和1. 0%聚碳硅烷组成原料，依次进行以下步骤1)、将上述原料加入到乙醇、二甲苯、正己烷按照1 4 5的体积比组成的有机分散溶剂中，球磨混合24小时后，40°C干燥24小时，得到碳化硅复合粉体；原料与有机分散溶剂的料液比为lg/3ml ；2)、对碳化硅复合粉体在50MPa下干压成型，获得碳化硅坯体；3)、将上述碳化硅坯体放入真空无压烧结炉中，先升温至1500°C真空脱气4小时， 然后升温至220(TC于氩气保护下烧结45分钟，制备而成碳化硅多孔陶瓷。该碳化硅多孔陶瓷机械强度为61MPa，孔隙率为55%。实施例2、一种高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，以重量百分含量为88. 65% α -碳化硅粉体、9. 85% β-碳化硅粉体、0. 5% 二硼化铝和1. 0%聚碳硅烷组成原料，依次进行以下步骤1)、将上述原料加入到乙醇、二甲苯、正己烷按照1 3 6的体积比组成的有机分散溶剂中，球磨混合24小时后，40°C干燥24小时，得到碳化硅复合粉体；该原料与有机分散溶剂的料液比为lg/5ml ；2)、对碳化硅复合粉体在50MPa下干压成型，获得碳化硅坯体；3)、将上述碳化硅坯体放在真空无压烧结炉中，先升温至1500°C真空脱气3小时， 然后升温至220(TC于氩气保护下烧结50分钟，制备而成碳化硅多孔陶瓷。该碳化硅多孔陶瓷机械强度为65MPa，孔隙率为55%。实施例3、一种高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，由重量百分含量为68.95% α -碳化硅粉体、29. 55% β -碳化硅粉体、1. 0%二硼化铝和0. 5%聚碳硅烷组成原料，依次进行以下步骤1)、将上述原料加入到乙醇、二甲苯、正己烷按照1 3.5 5. 5的体积比组成的有机分散溶剂中，球磨混合24小时后，40°C干燥24小时，得到碳化硅复合粉体；该原料与有机分散溶剂的料液比为lg/5ml ；2)、对碳化硅复合粉体在50MPa下干压成型，获得碳化硅坯体；3)、将上述碳化硅坯体放在真空无压烧结炉中，先升温至1500°C真空脱气5小时， 然后升温至220(TC于氩气保护下烧结40分钟，制备而成碳化硅多孔陶瓷。该碳化硅多孔陶瓷机械强度到68MPa以上，孔隙率为42%。对比例1、取消实施例2中的β-碳化硅粉体，将α-碳化硅粉体的重量百分含量由88. 65%改成98. 5%。其余同实施例2。该碳化硅多孔陶瓷机械强度为41MPa，孔隙率为44%。对比例2、将实施例2中的88. 65% α -碳化硅粉体、9. 85% β -碳化硅粉体分别对应的改成94% α-碳化硅粉体、3. 5% β-碳化硅粉体。其余同实施例2。该碳化硅多孔陶瓷机械强度到49MPa，孔隙率为43 %。对比例3、将实施例2中的88. 65% α -碳化硅粉体、9. 85% β -碳化硅粉体分别对应的改成39. 4% α-碳化硅粉体、59. 1% β-碳化硅粉体。其余同实施例2。 该碳化硅多孔陶瓷机械强度到45MPa，孔隙率为50 %。 对比例4、将实施例2中的0. 5%二硼化铝改成0. 5%二硼化锆。其余同实施例2。
该碳化硅多孔陶瓷机械强度到20MPa，孔隙率为53 %。对比例5、将实施例2中的0. 5 %二硼化铝改成0. 5 %硼酸铝。其余同实施例2。该碳化硅多孔陶瓷机械强度到25MPa，孔隙率为55 %。对比例6、取消实施例2中二硼化铝的使用，将聚碳硅烷的含量由1.0%改成 1.5%。其余同实施例2。该碳化硅多孔陶瓷机械强度到15MPa，孔隙率为61 %。最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征是以重量百分含量为98% 99%的由 α-碳化硅粉体和β-碳化硅粉体组成的混合物、0. 1.0%的二硼化铝以及0.5% 的聚碳硅烷组成原料，依次包括以下步骤1)、将上述原料加入到有机分散溶剂中，球磨混合后，在35 45°C进行干燥22 26小时，得到碳化硅复合粉体；2)、将上述碳化硅复合粉体于45 55MPa下进行干压成型，获得碳化硅坯体；3)、将上述碳化硅坯体放入真空无压烧结炉中，进行两步烧结，得到高强度碳化硅多孔陶瓷。
2.根据权利要求1所述的高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征是所述由 α -碳化硅粉体和β -碳化硅粉体组成的混合物中，α -碳化硅粉体的重量含量为50% 90%, β-碳化硅粉体的重量含量为10% 50%。
3.根据权利要求2所述的高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征是所述两步烧结为先升温至1450 1500°C真空脱气3 5小时，然后升温至2150 2250°C于氩气保护下烧结30 60分钟。
4.根据权利要求3所述的高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征是所述有机分散溶剂为由乙醇、二甲苯和正己烷组成的混合溶剂。
5.根据权利要求4所述的高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征是所述步骤1) 的球磨混合时间为24 28小时。
全文摘要
本发明公开了一种高强度碳化硅多孔陶瓷的制备方法，以重量百分含量为98％～99％的由α-碳化硅粉体和β-碳化硅粉体组成的混合物、0.1％～1.0％的二硼化铝以及0.5％～1％的聚碳硅烷组成原料，依次包括以下步骤1)将上述原料加入到有机分散溶剂中，球磨混合、干燥；2)将所得的碳化硅复合粉体于45～55MPa下进行干压成型；3)将所得的碳化硅坯体放入真空无压烧结炉中，进行两步烧结，得到高强度碳化硅多孔陶瓷。该方法工艺简单，所制备的碳化硅多孔陶瓷具有机械强度高、孔隙率适中等特性。
文档编号C04B38/00GK102503521SQ20111037510
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者张玲洁, 朱林, 杨辉, 郑志荣, 郭兴忠, 高黎华 申请人:浙江大学