一种近零膨胀多孔LAS/SiC复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种近零膨胀多孔LAS/SiC复合 材料的制备方法，所得的复合材料可以用作处理化工厂废物和汽车尾气的催化剂载体、过 滤材料、热工材料、热交换器，吸声材料和减震材料，保温材料以及生物材料等产品。
【背景技术】
[0002] 在精密光学微电子微机械和其他精密系统中，元件的精确尺寸对其功能至关重 要，有的元件应用环境面临较大的温度变化，导致元件往往会因为自身的热膨胀而使其性 能发生变化甚至失效负热膨胀材料的发现为解决这类问题提供了可能，通过将具有负热膨 胀系数与正热膨胀系数的材料进行复合，可以制备各种低热膨胀系数乃至零膨胀系数的复 合材料。
[0003] β -锂霞石在很大温度范围内具有很强的负热膨胀（NTE)特性，负热膨胀系数高 达-6. ZXKT6K'而多孔碳化硅具有轻质力学性能、优良耐高温耐腐蚀等优点，且具有正膨 胀特性，热膨胀系数为4. 0 X KT6IT1,是重要的结构与功能材料，通过调整β -锂霞石与SiC 颗粒的含量，可以制备热膨胀系数可控或近零膨胀的多孔SiC/LAS陶瓷材料，在热工材料、 热交换器、保温材料及耐高温微型精密加工领域具有重要的应用前景。但是，目前更多研宄 的是SiC纤维增强SiC/LAS复合材料，对多孔SiC/LAS复合陶瓷材料的研宄却鲜有报道。
[0004] 多孔陶瓷的应用已遍及冶金、化工、能源、环保、生物等多个领域，引起了全球材料 科学的高度关注。根据使用目的和对材料性能要求的不同，人们已经发展了多种多孔陶瓷 的制造工艺，如添加造孔剂、发泡、有机泡沫体浸渍、溶胶凝胶工艺、冷冻-干燥法、模板法 等。然而，针对不同多孔材料的应用背景，采用这些制备工艺具有一定的优势，如孔径尺寸 可以精确设计，孔隙率、强度能满足一定的要求等，但是大部分采用这些工艺制备多孔陶瓷 时，具有工序繁杂、效率低、成本高、有些添加剂的使用会对环境造成危害等缺点。近些年 来，制备多孔陶瓷的新工艺也层出不穷，如机械搅拌法、离子交换技术已成功制备出多孔氧 化硅陶瓷、PVCI方法制备出了以多孔碳为基体的SiC-C多孔陶瓷等等。因此，与环境友好、 工艺简单、高效低成本的多孔陶瓷制备工艺将成为今后研宄的而一个重要方向。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种近零膨胀多孔LAS/SiC 复合材料的制备方法，可使得到的LAS/SiC复合材料具有适宜的孔隙率、近零膨胀系数和 热循环条件下的长期稳定性等特点。
[0006] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
[0007] 一种近零膨胀多孔LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在于，包含下列步骤：
[0008] (1)自制LAS粉体：按照质量比Li2C03:1.62Si0 2:1.38Al203配料，加入无水乙醇， 加入量与原料质量比为1:1，采用氧化铝球湿法球磨混料至少8h，混合均匀，在旋转蒸发仪 上旋蒸将酒精烘干、取出放入干燥箱中80°C干燥过筛，将过筛后的混合粉体松装入氧化铝 坩埚中，置于空气炉中于1200°C烧结，加热速率为5°C /min，保温6~24h，随炉冷却，将得 到的块体捣碎获得LAS粉体；
[0009] (2) LAS/SiC复合粉体的获得：将SiC粉体与步骤（1)获得的LAS粉体按照质量配 比：SiC/LAS = 1. 8~2. 5进行混料，加入无水乙醇，加入量与混合粉质量比为1:1，采用氧 化铝球湿法球磨混料至少4h，然后干燥过筛，获得LAS/SiC复合粉体；
[0010] (3)成型：将LAS/SiC复合粉体进行模压成型，采用干压成型，脱模得到LAS/SiC 复合坯体；
[0011] (4)微波烧结：将LAS/SiC复合坯体放入微波烧结专用SiC坩埚中，在真空条件 下，于1200~1500°C微波烧结，保温0~30min，升温速率为60~200°C /min，真空度为~ IOPa ；
[0012] (5)加工处理：将微波烧结得到的LAS/SiC复合块体进行机械磨削加工，得到LAS/ SiC复合材料。
[0013] 上述方法中，步骤（1)所述原料Li2C03、Si0 2、Al203的尺寸均为微米级，平均粒径为 3 ~8 μ m〇
[0014] 步骤（2)所述SiC粉体粒径为纳米级或微米级、LAS粉体的平均粒径为5~50μπι。
[0015] 步骤（3)所述模压成型压力为10~30MPa，采用干压成型。
[0016] 步骤（4)所述所得的多孔LAS/SiC复合材料，温度为0~600°C范围内所测的热膨 胀系数范围在-1~2父1(^/°0，具有零膨胀性能；孔隙率范围在20%~40%。
[0017] 步骤⑵的配比SiC/LAS = 1.8~2.5是根据复合材料零膨胀系数公式： a lVl+ α 2v2= 〇 ( a i、α 2分别是两相的热膨胀系数值，V i、％分别是两相的体积分数）计算 调整所得。
[0018] 本发明的优点在于：
[0019] 1、采用粉末烧结法直接获得所需具有负膨胀性能的LAS粉体，简化了制备LAS基 体的工艺，不仅节能，而且还节省了制备成本。
[0020] 2、LAS/SiC复合材料的热膨胀系数可以根据比例进行宏观调控：采用粒径匹配的 SiC粉体作为近零膨胀LAS/SiC复合材料的调节剂，根据复合材料零膨胀系数获得公式计 算配比，得到LAS/SiC复合粉体，微波烧结制备具有近零膨胀特性的多孔LAS/SiC复合材 料。
[0021] 3、与传统加热方法通过物体表面直接传入内部相比较，微波烧结是通过电磁场直 接对物体内部加热，而且加热是整体性的、均匀的，具有很高的热效率、升温速率快、烧结速 率高，坯体在烧结过程中直接跳过致密化过程而成为烧结体，大大缩短了烧结时间，可以大 幅度的节能；更重要的是SiC颗粒本身具有高的导热率和优异的微波吸收能力（微波介电 特性），与LAS混合均匀保证在烧结过程中坯体热量分布均匀，形成的孔隙孔径尺寸和分布 都比较均匀。
[0022] 4、采用微波烧结体系，工序简单、成本较低，为获得大量近零膨胀多孔LAS/SiC复 合材料的市场化生产提供更直观的参考。
【附图说明】
[0023] 图1为制备的LAS粉体形貌SEM照片。
[0024] 图2为本发明实施案例5所得LAS/SiC复合材料显微结构SEM照片。
[0025] 图3为本发明实施案例5所得LAS/SiC复合材料的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0027] 以下10个实施例中制备的LAS粉体粒径、选用SiC粉体粒径及SiC/LAS质量配比 见表1，各实施例的具体烧结工艺参数参见表2,所得样品性能测试参见表3。
[0028] 表1 :各实施例中选用LAS、SiC粉体粒径及SiC/LAS质量配比
[0029]
[0030] 表2 :各实施例中LAS/SiC复合材料的烧结工艺参数
[0031]
[0032] 表3 :各实施例所得LAS/SiC复合材料样品的性能实测值
[0033]
[0034] 图1为制备的LAS粉体形貌SEM照片，可以看出，反应烧结发制备的LAS粉体粒径 均匀，平均尺寸为30 μ m。图2为本发明实施案例5所得多孔LAS/SiC复合材料显微结构 SEM照片。图3为本发明实施案例5所得多孔LAS/SiC复合材料的XRD图谱，并与LAS基体 相比较。可以看出，微波烧结所得LAS/SiC复合材料的气孔孔径尺寸和分布都很均匀，孔径 尺寸约为10~15 μ m，且其物相组成为LAS和SiC，块状SiC均匀分布在基体LAS周围，以 气孔隔开，没有其他中间相生成，说明该复合材料仅为两相物理结合而成。经测试其气孔率 为29. 73 %，强度为26. 62MPa，热膨胀系数达到-0. 36 X 10_7Κ，接近零膨胀。
【主权项】
1. 一种近零膨胀多孔LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在于，包含下列步骤： (1) 自制1^粉体：按照质量比1^2〇)3:1.625102:1.38六1 203配料，加入无水乙醇，加入量 与原料质量比为1:1，采用氧化铝球湿法球磨混料至少8h，混合均匀，在旋转蒸发仪上旋蒸 将酒精烘干、取出放入干燥箱中80 °C干燥过筛，将过筛后的混合粉体松装入氧化铝坩埚中， 置于空气炉中于1200°C烧结，加热速率为5°C/min，保温6~24h，随炉冷却，将得到的块体 捣碎获得LAS粉体； (2)LAS/SiC复合粉体的获得：将SiC粉体与步骤（1)获得的LAS粉体按照质量配比： SiC/LAS= 1. 8~2. 5进行混料，加入无水乙醇，加入量与混合粉质量比为1:1，采用氧化 铝球湿法球磨混料至少4h，然后干燥过筛，获得LAS/SiC复合粉体； (3) 成型：将LAS/SiC复合粉体进行模压成型，采用干压成型，脱模得到LAS/SiC复合 坯体； (4) 微波烧结：将LAS/SiC复合坯体放入微波烧结专用SiC坩埚中，在真空条件下，于 1200~1500°C微波烧结，保温0~30min，升温速率为60~200°C/min，真空度为~IOPa; (5) 加工处理：将微波烧结得到的LAS/SiC复合块体进行机械磨削加工，得到LAS/SiC 复合材料。2. 根据权利要求1所述的一种近零膨胀多孔LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在 于，步骤⑴所述原料1^2〇)3、5;[0 2、41203的尺寸均为微米级，平均粒径为3~8以1]1。3. 根据权利要求1所述的一种近零膨胀多孔LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在 于，步骤（2)所述SiC粉体粒径为纳米级或微米级、LAS粉体的平均粒径为5~50ym。4. 根据权利要求1所述的一种近零膨胀多孔LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在 于，步骤（3)所述模压成型压力为10~30MPa，采用干压成型。
【专利摘要】一种近零膨胀多孔LAS/SiC复合材料的制备方法，采用粒径匹配的SiC粉体作为近零膨胀LAS/SiC复合材料的调节剂，根据比例计算对材料热膨胀系数进行宏观调控；得到LAS/SiC复合粉体，最后采用微波烧结制备具有近零膨胀特性的多孔LAS/SiC复合材料，本发明的优点为：微波烧结是通过电磁场直接对物体内部加热，而且加热是整体性的、均匀的，具有很高的热效率、升温速率快、烧结速率高，坯体在烧结过程中直接跳过致密化过程而成为烧结体，大大缩短了烧结时间，可以大幅度的节能；更重要的是SiC颗粒本身具有高的导热率和优异的微波吸收能力(微波介电特性)，与LAS混合均匀保证在烧结过程中坯体热量分布均匀，形成的孔隙孔径尺寸和分布都比较均匀。
【IPC分类】C04B35/19, C04B38/00, C04B35/64, C04B35/577
【公开号】CN104891999
【申请号】CN201510256935
【发明人】王波, 张辉, 张亚明, 邓宇宸, 曾德军, 郭海霞, 杨建锋
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月19日