一种放电等离子烧结法制备多孔碳化硅陶瓷的方法与流程

本发明涉及一种放电等离子烧结法制备多孔碳化硅陶瓷的方法，属于多孔陶瓷材料制备技术领域。

背景技术：

多孔陶瓷具有密度低、比表面积大、渗透率高以及耐高温和化学腐蚀等性能，被广泛用作过滤、分离、隔热、吸声、催化剂载体、化学传感器和生物陶瓷等元件材料，显示了优良性能和良好的应用前景。碳化硅多孔陶瓷是一种兼具结构性和功能性能的陶瓷材料，其不仅具有陶瓷基体的优良性能，而且还具有较大的气孔率及可调节的气孔形状、气孔孔径尺寸及其分布；还具有相匹配的优良热、电、磁、光及化学性能。随着科技的发展，其已在环境保护、过滤分离、尾气吸收、吸声降噪、生物医学、航空航天和能源化工等方面发挥着重要的作用。

多孔碳化硅陶瓷材料的制备方法较多，如氧化黏结法、燃烧合成法（SHS）、聚碳硅烷转化法、碳热反应法、化学气相浸渍与反应法、溶胶凝胶/碳热还原法、液硅渗入法等。有机泡沫浸渍法、发泡法、添加造孔剂法、固态粒子烧结法、挤压成型法、溶胶-凝胶法、凝胶注模工艺和机械搅拌法。按照成孔方式，分为颗粒堆积烧结法、模板法、添加造孔剂法和直接发泡法。

然而，从所参考的文献来看，因为不同的研究方法和实验条件，因此得到的实验结论也不同，彼此之间存在较大的差别。但这些方法均添加了不同的造孔剂和烧结助剂，制备方法比较复杂。

技术实现要素：

基于上述技术现状，本发明的目的在于提供一种在不添加任何造孔剂和烧结助剂的添加下，采用放电等离子烧结法制备多孔碳化硅陶瓷制备方法。本发明在现有的多孔碳化硅陶瓷的制备方法上进行改进，制备的多孔碳化硅陶瓷具有良好的微观结构、力学性能。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：

本发明提供了一种放电等离子烧结法制备多孔碳化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：

（1）将碳化硅粉和去离子水混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料；

（2）将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为碳化硅球；球磨后的浆料放入真空干燥箱干燥，得碳化硅粉体；得到的粉体经过研磨、过筛之后，在自然环境中陈腐；

（3）将陈腐后的粉料放入模具中，在真空条件下、温度为1600-1800℃、20-50MPa条件下烧结5~15min，得产品。

进一步的，步骤（1）中，所述碳化硅粉的平均粒径为0.8μm。

进一步的，步骤（1）中，所述碳化硅粉和去离子水的质量比为1:20。

进一步的，步骤（2）中，所述真空干燥的条件为：在80-120℃下干燥2-12h。

进一步的，步骤（2）中，所述过筛的为过100-300目筛。

进一步的，步骤（2）中，所述陈腐的时间为12-24h。

进一步的，步骤（3）中，所述模具的直径为30mm。

本发明在烧结过程中，所述烧结的升温速率为：1600℃之前为100℃/min, 1600~1800℃范围内升温速度为30℃/min。

本发明的方法，原料性能会极大影响复合材料的相组成和微观结构，进而对复合材料的各项性能产生较大影响。采用本发明的原料处理方法所制备的复合材料具有定向、互连的孔隙结构，开口孔隙率为30~80%，孔径为0.1~10μm。同时，温度的控制、压力的控制、烧结时间、升温速度的改变，对烧结过程中多孔结构的形成具有显著影响，进而影响产品的最终性能。本发明所采用的烧结工艺，所制备的产品中碳化硅颗粒之间通过液固烧结方式连接。

本发明的有益效果为：

（1）本发明在没有添加任何造孔剂和烧结助剂的添加下，能够成功制备多孔碳化硅陶瓷，降低了生产成本，同时简化了制备工艺，制备的多孔碳化硅陶瓷具有良好的微观结构、力学性能；

（2）本发明采用放电等离子烧结法制备多孔碳化硅陶瓷，克服了高温高压条件下难以形成多孔结构的弊端。

（3）本发明所采用的烧结工艺，所制备的产品中碳化硅颗粒之间通过液固烧结方式连接，制备得到的多孔碳化硅陶瓷形状尺寸可控、孔隙率高、孔隙分布均匀且三维连通。它具有定向、互连的孔隙结构，开口孔隙率为30~80%，孔径为0.1~10μm，通过三点弯曲试验测试，最终制备的孔隙率为35.7%的多孔碳化硅陶瓷材料的抗弯强度达103MPa。

附图说明

图1为实施例1中多孔碳化硅陶瓷的XRD图谱；

图2为实施例1中多孔碳化硅陶瓷的断面低倍SEM图；

图3为实施例1中多孔碳化硅陶瓷的断面高倍SEM图；

图4为实施例1中多孔碳化硅陶瓷的颗粒间的结合图。

图5为实施例1中多孔碳化硅陶瓷的孔径分布图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步的阐述，下述说明仅为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1

将碳化硅粉（平均粒径为0.8μm）和去离子水按照1:20的质量比进行混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料；随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为碳化硅球，分散剂为去离子水；球磨后的浆料放入真空干燥箱中在80℃下干燥12h得碳化硅粉体；得到的粉体经过研磨、过100目筛之后，在自然环境中陈腐12h；然后再将陈腐后的粉料放入直径为30mm的模具中，在真空条件下，温度为1800℃（升温速率：1600℃之前为100℃/min, 1600~1800℃范围内升温速度为30℃/min）、50MPa条件下烧结5min，得产品；

产品具有定向、互连的孔隙结构，碳化硅颗粒之间通过液固烧结方式连接。通过三点弯曲试验测试，最终制备的孔隙率为35.7%的多孔碳化硅陶瓷材料的抗弯强度达103MPa。图1中为制得的多孔碳化硅陶瓷的样品XRD图谱，其物相组成主要为SiC，含有少量SiO₂；图2和图3为样品断面的SEM图片，发现通过此方法成功制备了多孔结构的SiC陶瓷材料；图4为多孔碳化硅陶瓷的断面SEM，可以确定碳化硅颗粒之间通过液固烧结方式连接。图5为多孔碳化硅陶瓷的孔径分布图，可以看出通过此法制备的多孔碳化硅陶瓷材料的孔径为0.1~10μm。

实施例2

将碳化硅粉（平均粒径为0.8μm）和去离子水按照1:20的质量比进行混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料；随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为碳化硅球，分散剂为去离子水；球磨后的浆料放入真空干燥箱中在80℃下干燥12h得碳化硅粉体；得到的粉体经过研磨、过100目筛之后，在自然环境中陈腐12h；然后再将陈腐后的粉料放入直径为30mm的模具中，在真空条件下、温度为1800℃（升温速率同实施例1）、30MPa条件下烧结5min，得产品；产品具有定向、互连的孔隙结构，碳化硅颗粒之间通过液固烧结方式连接。通过三点弯曲试验测试，最终制备的孔隙率为45.8%的多孔碳化硅陶瓷材料的抗弯强度达101MPa。

实施例3

将碳化硅粉（平均粒径为0.8μm）和去离子水按照1:20的质量比进行混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料；随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为碳化硅球，分散剂为去离子水；球磨后的浆料放入真空干燥箱中在100℃下干燥6h得碳化硅粉体；得到的粉体经过研磨、过100目筛之后，在自然环境中陈腐12h；然后再将陈腐后的粉料放入直径为30mm的模具中，在真空条件下、温度为1800℃（升温速率同实施例1）、20MPa条件下烧结10min，得产品；产品具有定向、互连的孔隙结构，碳化硅颗粒之间通过液固烧结方式连接。通过三点弯曲试验测试，最终制备的孔隙率为49.8%的多孔碳化硅陶瓷材料的抗弯强度达100.4MPa。

实施例4

将碳化硅粉（平均粒径为0.8μm）和去离子水按照1:20的质量比进行混合，在室温下进行磁力搅拌加超声分散20分钟得到混合浆料；随后将混合浆料放入聚四氟乙烯罐中球磨12小时，球磨介质为碳化硅球，分散剂为去离子水；球磨后的浆料放入真空干燥箱中在120℃下干燥2h得碳化硅粉体；得到的粉体经过研磨、过100目筛之后，在自然环境中陈腐12h；然后再将陈腐后的粉料放入直径为30mm的模具中，在真空条件下、温度为1600℃（升温速率同实施例1）、50MPa条件下烧结5min，得产品；产品具有定向、互连的孔隙结构，碳化硅颗粒之间通过液固烧结方式连接。通过三点弯曲试验测试，最终制备的孔隙率为52.7%的多孔碳化硅陶瓷材料的抗弯强度达103MPa。