一种耐高温抗冲蚀磨损碳化硅-二氧化锆梯度结构陶瓷、制备方法和应用

本发明涉及陶瓷材料，具体涉及一种耐高温抗冲蚀磨损碳化硅-二氧化锆梯度结构陶瓷、制备方法和应用。

背景技术：

1、高温陶瓷过滤元件在高温含尘气体的净化方面具有独特优势，其含有大量的微细孔隙结构、过滤阻力低、耐高温、耐腐蚀、机械强度大、结构稳定不变形，有益于高温、高压烟气中的尘粒的过滤，因此在管道高温煤气净化、燃煤锅炉、核废气处理、高压热气体净化等领域有很大的应用前景。

2、高温陶瓷膜材料的成型方法包括干法成型和湿法成型，干法成型包括干压成型、等静压成型等，湿法成型包括胶态浇注成型等，但是上述传统材料制备技术，难以制备具有复杂结构的梯度结构高温陶瓷，且成型精度相对较低；3d打印技术相较于传统的制造工艺，具有设计自由度高、制造周期短、成型精度高等特点，可以充分满足结构复杂的梯度结构的成型要求，熔融沉积快速成型技术(fdm技术)是一种应用比较广泛的3d打印技术，基于熔融沉积成型原理工作。

3、传统的单一陶瓷材料，例如氧化锆等，具有优异的力学性能，在抗折强度和断裂韧性方面都十分优异，但在高温下，会因为相变的转变导致其体积产生较大的变化，从而容易产生开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。因此，现有技术中，通常采用多种材料复配来制备高温陶瓷材料，如公开号为cn112979317a的中国专利文献公开了一种高温多孔陶瓷膜材料及制备方法，该高温多孔陶瓷膜材料利用浇注成型制备得到，原料包括骨料70-85份；结合剂10-15份；造孔剂5-15份；高铝酸钙水泥0.5-5份；缓凝剂0.1-1份；减水剂0.1-1份；水1-5份；透气阻力<300pa，在高温高压气体净化领域受到广泛应用。

4、公开号为cn103539455a的中国专利文献公开了一种放射性气体处理用耐高温碳化硅覆膜滤芯，包括碳化硅烧结滤芯做骨架以及附着在骨架外层的膜层，所述膜层和骨架烧结连接成一整体。碳化硅陶瓷骨架配料组成为：碳化硅陶瓷骨料：60％-75％，高温结合剂：20％-30％，增孔剂：4％-10％；覆膜配料组成：碳化硅陶瓷骨料：20％-30％，陶瓷纤维：40％-50％，高温结合剂：30％-40％；该耐高温碳化硅覆膜滤芯对高温气体净化效率高，阻力低，可以用于800℃-1000℃高温放射性气体净化。

技术实现思路

1、为了解决传统技术和设计难以实现复杂结构复相陶瓷制备的技术问题，本发明提供了一种耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷的制备方法，该方法改善了zro2陶瓷在高温下的稳定性，成型精度高，制备得到的sic-zro2梯度结构陶瓷具有良好的耐高温、抗冲蚀磨损性能。

2、具体采用的技术方案如下：

3、一种耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将碳化硅陶瓷粉末、氧化锆陶瓷粉末和粘结剂组成的材料体系均匀混合，再经过双螺杆挤出机塑化并造粒，然后通过单螺杆挤出机拉丝，得到复合丝材，干燥；

5、(2)将步骤(1)干燥后的复合丝材利用fdm-3d打印设备打印得到梯度结构陶瓷胚体；

6、(3)将梯度结构陶瓷胚体在丙酮浴中低温脱脂后，再转移至高温气氛下脱脂；

7、(4)步骤(3)脱脂后的梯度结构陶瓷胚体在惰性气体气氛下进行高温煅烧处理，得到所述的耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷。

8、在刚性颗粒与基体之间不存在化学反应的条件下，本发明通过添加第二相性颗粒来改善相变增韧陶瓷高温力学性能，第二相性颗粒的增韧机理主要源于颗粒与基体之间弹性模量与热膨胀系数的不匹配，具体的，在氧化锆陶瓷粉体中引入碳化硅陶瓷粉体，能够增加其在高温下的稳定性，并且在高温下弥散相的sic颗粒可以显著改善材料的高温强度。相较于单一的氧化锆材料，强度更高、耐磨性和热导性也更好。

9、所述的粘结剂包括但不限于聚乙烯醇、聚乙烯或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

10、优选的，所述的碳化硅陶瓷粉末的粒径为10-25μm，所述的氧化锆陶瓷粉末的粒径为50-125μm。碳化硅陶瓷粉末的粒径过大，会导致产品陶瓷开裂、致密性差。

11、优选的，碳化硅陶瓷粉末、氧化锆陶瓷粉末和粘结剂的质量比为0.1-0.2：1：0.02-0.06。在上述原料比例下，制备得到的产品陶瓷的力学性能、耐磨性和热导性更好。

12、优选的，步骤(2)中，得到梯度结构陶瓷胚体的方法为：使用fdm 3d打印技术将复合丝材按照具有梯度结构的打印模型进行打印，得到梯度结构陶瓷胚体；或者，利用不同碳化硅/氧化锆质量比的复合丝材进行fdm-3d打印，使打印得到的陶瓷坯体具有梯度结构。

13、进一步优选的，步骤(2)中，得到梯度结构陶瓷胚体的方法为：将不同碳化硅/氧化锆质量比的复合丝材分别放置于fdm-3d打印设备的不同喷嘴中，利用不同喷嘴按照具有梯度结构的打印模型交替打印不同碳化硅/氧化锆质量比的复合丝材，制备得到梯度结构陶瓷胚体。上述方法制备得到的梯度结构陶瓷胚体同时具有材料梯度和结构梯度，抗冲蚀性能更好。

14、进一步优选的，打印的喷嘴温度为165-180℃，打印平板温度为45-55℃，打印的层高为0.02-0.04mm，打印速度为20-25mm/s。

15、丙酮具有良好的溶解性能，可以溶解许多有机物质，可以对陶瓷坯体进行初步脱脂，将粘结剂从物质表面溶解出来。并且丙酮对大部分无机物质不具有溶解性，因此可以选择性去除物质表面的有机物质，而不影响物质的化学性能；高温气氛脱脂通过加热陶瓷坯体使粘结剂组分挥发或分解，两种脱脂方法相结合能够使陶瓷坯体中的粘结剂完全挥发或者分解。

16、优选的，将梯度结构陶瓷胚体在40℃丙酮浴中低温脱脂2-2.5h后，再将低温脱脂后的梯度结构陶瓷胚体静置干燥，转移至高温气氛烧结炉中，在惰性气体氛围下高温脱脂。

17、进一步优选的，高温气氛烧结炉的程序设定为：先以0.6-0.8℃/min的速率从室温升至195-250℃，再以0.8-0.9℃/min的速率继续升温至250-305℃，最后以1-1.2℃/min的速率继续升温至480-540℃，保温120～180min。若升温速度过快，会导致陶瓷胚体出现较大的变形和开裂现象，影响后续的高温烧结成型。

18、优选的，步骤(4)中，高温煅烧处理的参数为：先以2-2.5℃/min的速率从室温升温至960-1050℃，再以1-1.2℃/min的速率继续升温至1450-1520℃，保持90-120min；随炉冷却至室温，得到所述的耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷。

19、本发明还提供了所述的耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷的制备方法制得的耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷。

20、该耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷的形状可定制，梯度结构包括但不限于材料层间结构、点阵结构、蜂窝结构等，能够满足不同应用场景的需求。

21、本发明还提供了所述的耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷在高温含尘气体净化方面的应用。

22、当所述的耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷用于处理500℃的高温气体(含有硫、硝等元素的颗粒物)时，净化前高温气体中颗粒物含量为650-700mg/m3，净化后颗粒物含量低于7mg/m3，净化效率可达99％，可以有效去除1.5μm以上的颗粒物。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

24、(1)本发明方法可以改善zro2陶瓷在高温下的稳定性，提升了其抗高温冲蚀的性能，本发明方法制得的耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷可以承受1600℃的高温，并能够保持稳定；当碳化硅陶瓷粉末与氧化锆陶瓷粉末的质量比为0.1：1时，产品陶瓷罗氏硬度和抗折强度都达到了最大，分别为86.3hra和246mpa，冲蚀损失率最低达到了80×10-6cm3/mm2hr。

25、(2)本发明方法成型精度高，可成形复杂结构，生产效率高，解决了传统工艺难以制备具有复杂结构的梯度结构高温陶瓷的问题。

26、(3)本发明的耐高温抗冲蚀磨损sic-zro2梯度结构陶瓷结构具有良好的可设计性，并可以根据实际需求进行快速的优化与改良，并且加工周期短，成本低。