專利名稱：碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，具體的說，是竹炭微粉和工業(yè)二氧化硅溶膠為骨料的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
蜂窩陶瓷是一種多孔性的功能材料，早在20世紀(jì)70年代起就由美國的康寧 (Corning)公司開始試制，在1975年該公司就已經(jīng)使用蜂窩陶瓷進行了小型車尾氣凈化試驗，并且取得了良好的效果。蜂窩陶瓷具有高的比表面積和良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，另外還具有低密度、高滲透率、良好的能量吸收性能以及耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性高、易于再生等諸多特點。近年來，隨著蜂窩陶瓷制備技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也在不斷擴大，應(yīng)用水平更實在不斷提高。蜂窩陶瓷作為一種新型材料，越來越受到人們的重視。與傳統(tǒng)的顆粒狀陶瓷載體相比，多孔狀蜂窩陶瓷載體具有壓力降小、幾何表面大、擴展距離短、有利于反應(yīng)物的進入和生成物的排出，并可縮小反應(yīng)器的體積等優(yōu)點，使得蜂窩陶瓷應(yīng)用也較為廣泛。制備蜂窩陶瓷載體的材質(zhì)除目前應(yīng)用較為廣泛的堇青石外，還有鈦酸鋁、氧化鋁、 碳化硅、鋯英石、鋰輝石、莫來石等，其中碳化硅材料雖然其熱膨脹系數(shù)相對偏高，但在一定程度上可以滿足性能的要求，同時還具有強度高，耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、高比表面積、高比強等一系列優(yōu)點。由于近年來碳化硅的制備工藝日漸成熟，其合成方法多種多樣，價格低廉，易于制造，碳化硅蜂窩陶瓷的研究及應(yīng)用日益廣泛。常規(guī)碳化硅蜂窩陶瓷均采用造孔的方式來制備，反應(yīng)溫度高導(dǎo)致成本上升，不利于實現(xiàn)生產(chǎn)化，由此導(dǎo)致汽車尾氣凈化力度不夠，空氣污染不能有效控制，同時還存在燒結(jié)性能與多孔結(jié)構(gòu)之間的矛盾，如材料孔洞多但是強度不夠，強度保證的前提下又不能提供高的比表面積，所以選擇新的原料及工藝來制備碳化硅蜂窩陶瓷已成為其新的研究方向?，F(xiàn)有一種碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法是采用粘結(jié)劑羥甲基纖維素，增塑劑甘油按 12% 15% 7% 10%和水81% 75%混合，再與陶瓷粉料70% 75%混練，陳腐，過濾雜質(zhì)后擠出在2200°C以上燒成。不僅反應(yīng)溫度高，而且孔洞相對較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，由此方法所生產(chǎn)的碳化硅蜂窩陶瓷具有孔洞可控，比表面積高，強度滿足要求等特點。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，包括以下步驟1)、蜂窩陶瓷粉料的制備以竹炭微粉和二氧化硅溶膠為骨料，以氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑，以有機物淀粉為造孔劑；將竹炭微粉、二氧化硅溶膠、氧化鋁、氧化釔和有機物淀粉按照70 20 1 5 1 5 1 8的重量比混合，得蜂窩陶瓷粉料；2)、混合練泥將水、聚乙烯醇和聚羥基乙醇按照70 10 20 10 20的重量比混合，均勻攪拌，得溶液；將溶液與蜂窩陶瓷粉料按照100 65 80的重量比混合，然后在常溫常壓下于混煉機中充分混練0. 5 1小時，接著在常溫常壓下陳腐2 3小時；得泥料；3)、擠出成型將泥料通過擠出成型設(shè)備擠出素坯，該素坯的尺寸和形狀由擠出成型設(shè)備中的模具進行控制；4)、干燥將素坯先采用微波加熱(目的是為了排出水分)，再于120 130°C加熱0.5 1 小時(目的是為了排除氧化鋁、氧化釔和有機物淀粉)；5)燒成將步驟4)干燥后所得的產(chǎn)物在常壓下于1600°C 1800°C燒制1 4小時，然后在1000 1200°C保溫1 2小時。作為本發(fā)明的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法的改進竹炭微粉是指粒徑為10 100 微米、比表面積為200 300m2/g的竹炭。作為本發(fā)明的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法的進一步改進有機物淀粉為植物淀粉，例如為土豆淀粉。作為本發(fā)明的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法的進一步改進步驟幻為先將泥料進行過濾凈化處理(目的是為了防止擠出成型時泥料造成產(chǎn)品堵孔，割裂和變形缺陷)，然后再通過擠出成型設(shè)備擠出素坯。作為本發(fā)明的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法的進一步改進步驟4)中將素坯采用 450 490瓦微波加熱12 15分鐘。作為本發(fā)明的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法的進一步改進步驟幻中燒制過程在由室溫開始升至作為低溫的500 600°C時，升溫速度為20 30°C /h。目的是為了防止如升溫過快易引起的坯體開裂。本發(fā)明是一種以竹炭和工業(yè)二氧化硅溶膠為骨料制備碳化硅蜂窩陶瓷的方法，竹炭多孔狀，與工業(yè)二氧化硅溶膠原位合成后會產(chǎn)生孔洞。竹炭是竹材在高溫、少氧條件下燒制的一種具有豐富孔道結(jié)構(gòu)的天然材料。普通竹炭比表面積為200 300m2/g，經(jīng)過二次炭化和活化處理后，竹炭的比表面積可高達 700m2/g，具有高的反應(yīng)活性，合適作為碳化硅合成的碳源。二氧化硅溶膠可選用工業(yè)二氧化硅溶膠，工業(yè)二氧化硅溶膠由于顆粒均勻，雜質(zhì)少，和較高的比表面積更適合作為碳化硅蜂窩陶瓷載體制備的硅源。采用竹炭微粉和硅溶膠制備碳化硅蜂窩陶瓷是一個創(chuàng)新，可以顯著降低碳化硅蜂窩陶瓷載體的合成溫度，有機物高溫分解可以增加微小孔洞，提高比表面積。在本發(fā)明中工業(yè)二氧化硅溶膠例如可購自天津諾邦科技有限公司公司生產(chǎn)的二氧化硅溶膠 (如6Si02. 3H20，雜質(zhì)含量為1^-5% ；符合國標(biāo))；
氧化鋁和氧化釔的粒徑均為20 200mm。在本發(fā)明所限定的范圍值內(nèi)，通過改變燒結(jié)溫度，燒結(jié)助劑含量和造孔劑含量可控制比表面積和強度值。一般而言增加燒結(jié)助劑含量能降低燒結(jié)溫度，從而降低生產(chǎn)成本，有助于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；增加造孔劑含量能增加比表面積，提高凈化能力。本發(fā)明是發(fā)明人經(jīng)過認(rèn)真研究、實驗所獲得的。竹炭微粉和工業(yè)二氧化硅溶膠為骨料，氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑，有機物淀粉為造孔劑制備的蜂窩陶瓷載體孔洞可控，比表面積高，強度好。該蜂窩陶瓷的各項性能如下對所得樣品進行壓汞測試，測得的氣孔率為50% 75%，氣孔平均直徑為10 15微米，體密度為1. 6 2. Og/cm3 ；電鏡觀察，產(chǎn)品中存在微小孔洞，大大提高比表面積，強度符合要求，抗壓強度> 35MPa。綜上所述，本發(fā)明不但能改善溫度條件，從而降低燒結(jié)溫度；還有燒成時產(chǎn)生的微孔從而提高比表面積，同時又能保證強度要求。
具體實施例方式以下實施例中竹炭微粉是指粒徑為10 100微米、比表面積為200 300m2/g的竹炭；二氧化硅溶膠選用工業(yè)二氧化硅溶膠；氧化鋁和氧化釔的粒徑均為20 200mm。實施例1、一種碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，依次進行以下步驟1)、蜂窩陶瓷粉料的制備以竹炭微粉和工業(yè)二氧化硅溶膠為骨料，以氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑，以土豆淀粉為造孔劑；將竹炭微粉、工業(yè)二氧化硅溶膠、氧化鋁、氧化釔和土豆淀粉按 70 20 3 3 4的重量比混合；得蜂窩陶瓷粉料；2)混合練泥將水、聚乙烯醇和聚羥基乙醇按照70 15 15的重量比混合，均勻攪拌，得溶液；將溶液與蜂窩陶瓷粉料按照100 75的重量比混合，然后在常溫常壓下于混煉機中充分混練40分鐘，同樣條件下(即常溫常壓下)陳腐2. 5小時；得泥料；3)、擠出成型先將泥料進行過濾凈化處理(泥料過60目篩)，從而防止擠出成型時泥料造成產(chǎn)品堵孔，割裂和變形等缺陷。過濾凈化處理后的泥料通過擠出成型設(shè)備擠出素坯，素坯的形狀尺寸大小由擠出成型設(shè)備中的模具進行控制(此為常規(guī)技術(shù))。4)、干燥將素坯先采用450瓦微波加熱12分鐘以排出水分，再于120°C加熱0. 5小時以排除氧化鋁、氧化釔和土豆淀粉等；5)燒成將步驟4)干燥后所得的產(chǎn)物在常壓下于1750°C燒制2小時，然后在1000°C保溫 1小時，得碳化硅蜂窩陶瓷。
燒制過程在由室溫開始升至作為低溫的500 600°C時，升溫速度為20°C /h,如升溫過快易引起坯體開裂。所得的碳化硅蜂窩陶瓷能作為汽車尾氣凈化器用催化劑載體，其各項性能指標(biāo)如下對所得樣品進行壓汞測試，測得的氣孔率為60%，氣孔平均直徑為12微米，體密度為1. 8g/cm3,電鏡觀察，產(chǎn)品中存在微小孔洞，大大提高比表面積，抗壓強度> 35MPa。實施例2、一種碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，依次進行以下步驟1)、蜂窩陶瓷粉料的制備以竹炭微粉和工業(yè)二氧化硅溶膠為骨料，以氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑，以土豆淀粉為造孔劑；將竹炭微粉、工業(yè)二氧化硅溶膠、氧化鋁、氧化釔和土豆淀粉按 70 20 2 2 6的重量比混合；得蜂窩陶瓷粉料；2)混合練泥將水、聚乙烯醇和聚羥基乙醇按照70 10 20的重量比混合，均勻攪拌，得溶液；將溶液與蜂窩陶瓷粉料按照100 70的重量比混合，然后在常溫常壓下于混煉機中充分混練0. 5小時，同樣條件下(即常溫常壓下)陳腐2小時；得泥料；3)、擠出成型先將泥料進行過濾凈化處理(泥料過60目篩)，從而防止擠出成型時泥料造成產(chǎn)品堵孔，割裂和變形等缺陷。過濾凈化處理后的泥料通過擠出成型設(shè)備擠出素坯，素坯的形狀尺寸大小由擠出成型設(shè)備中的模具進行控制(此為常規(guī)技術(shù))。4)、干燥將素坯先采用460瓦微波加熱12分鐘以排出水分，再于125°C加熱40分鐘以排除氧化鋁、氧化釔和土豆淀粉等；5)燒成將步驟4)干燥后所得的產(chǎn)物在常壓下于1800°C燒制1. 5小時，然后在1100°C保溫1小時，得碳化硅蜂窩陶瓷。燒制過程在由室溫開始升至作為低溫的500 600°C時，升溫速度為25°C /h,如升溫過快易引起坯體開裂。所得的碳化硅蜂窩陶瓷能作為汽車尾氣凈化器用催化劑載體，其各項性能指標(biāo)如下對所得樣品進行壓汞測試，測得的氣孔率為75%，氣孔平均直徑為13微米，體密度為1. 65g/cm3,電鏡觀察，產(chǎn)品中存在微小孔洞，大大提高比表面積，抗壓強度> 35MPa。實施例3、一種碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，依次進行以下步驟1)、蜂窩陶瓷粉料的制備以竹炭微粉和工業(yè)二氧化硅溶膠為骨料，以氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑，以土豆淀粉為造孔劑；將竹炭微粉、工業(yè)二氧化硅溶膠、氧化鋁、氧化釔和土豆淀粉按70 20 4 4 2的重量比混合；得蜂窩陶瓷粉料；2)混合練泥將水、聚乙烯醇和聚羥基乙醇按照70 14 16的重量比混合，均勻攪拌，得溶液；將溶液與蜂窩陶瓷粉料按照100 78的重量比混合，然后在常溫常壓下于混煉機中充分混練45分鐘，同樣條件下(即常溫常壓下)陳腐3小時；得泥料；3)、擠出成型先將泥料進行過濾凈化處理(泥料過60目篩)，從而防止擠出成型時泥料造成產(chǎn)品堵孔，割裂和變形等缺陷。過濾凈化處理后的泥料通過擠出成型設(shè)備擠出素坯，素坯的形狀尺寸大小由擠出成型設(shè)備中的模具進行控制(此為常規(guī)技術(shù))。4)、干燥將素坯先采用460瓦微波加熱12分鐘以排出水分，再于125°C加熱40分鐘以排除氧化鋁、氧化釔和土豆淀粉等；5)燒成將步驟4)干燥后所得的產(chǎn)物在常壓下于1600°C燒制2小時，然后在1000°C保溫 2小時，得碳化硅蜂窩陶瓷。燒制過程在由室溫開始升至作為低溫的500 600°C時，升溫速度為25°C /h,如升溫過快易引起坯體開裂。所得的碳化硅蜂窩陶瓷能作為汽車尾氣凈化器用催化劑載體，其各項性能指標(biāo)如下對所得樣品進行壓汞測試，測得的氣孔率為55%，氣孔平均直徑為13微米，體密度為1. 9g/cm3,電鏡觀察，產(chǎn)品中存在微小孔洞，大大提高比表面積，抗壓強度> 35MPa。對比例1、將實施例1步驟2)中的溶液改成水、羥甲基纖維素和甘油按照70 15 15的重量比混合，均勻攪拌，得溶液；其余同實施例1。所得的碳化硅蜂窩陶瓷各項性能指標(biāo)如下對所得樣品進行壓汞測試，測得的氣孔率為45%，氣孔平均直徑為10微米，體密度為 2. 3g/cm3。對比例2、以常規(guī)的陶瓷粉料代替實施例1的步驟1)中的蜂窩陶瓷粉料，將步驟5)的燒制溫度改成2200°C，其余同實施例1。所得的碳化硅蜂窩陶瓷各項性能指標(biāo)如下對所得樣品進行壓汞測試，測得的氣孔率為40%，氣孔平均直徑為8微米，體密度為 2. 4g/cm3。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是包括以下步驟1)、蜂窩陶瓷粉料的制備以竹炭微粉和二氧化硅溶膠為骨料，以氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑，以有機物淀粉為造孔劑；將竹炭微粉、二氧化硅溶膠、氧化鋁、氧化釔和有機物淀粉按照70 20 1 5 1 5 1 8的重量比混合，得蜂窩陶瓷粉料；2)、混合練泥將水、聚乙烯醇和聚羥基乙醇按照70 10 20 10 20的重量比混合，均勻攪拌， 得溶液；將所述溶液與蜂窩陶瓷粉料按照100 65 80的重量比混合，然后在常溫常壓下于混煉機中充分混練0. 5 1小時，接著在常溫常壓下陳腐2 3小時；得泥料；3)、擠出成型將泥料通過擠出成型設(shè)備擠出素坯，所述素坯的尺寸和形狀由擠出成型設(shè)備中的模具進行控制；4)、干燥:將素坯先采用微波加熱，再于120 130°C加熱0. 5 1小時；5)、燒成將步驟4)干燥后所得的產(chǎn)物在常壓下于1600°C 1800°C燒制1 4小時，然后在 1000 1200°C保溫1 2小時。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是所述竹炭微粉是指粒徑為10 100微米、比表面積為200 300m2/g的竹炭。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是所述有機物淀粉為植物淀粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是所述植物淀粉為土豆淀粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4任一所述的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是所述步驟 3)為先將泥料進行過濾凈化處理，然后再通過擠出成型設(shè)備擠出素坯。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是所述步驟4)中將素坯采用450 490瓦微波加熱12 15分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，其特征是所述步驟幻中燒制過程在由室溫開始升至作為低溫的500 600°C時，升溫速度為20 30°C /h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅蜂窩陶瓷的制備方法，包括以下步驟1)將竹炭微粉、二氧化硅溶膠、氧化鋁、氧化釔和有機物淀粉按照70∶20∶1～5∶1～5∶1～8的重量比混合，得蜂窩陶瓷粉料；2)混合練泥將水、聚乙烯醇和聚羥基乙醇按照70∶10～20∶10～20的重量比混合，均勻攪拌，得溶液；將溶液與蜂窩陶瓷粉料按照100∶65～80的重量比混合，然后在常溫常壓下于混煉機中充分混練0.5～1小時，接著在常溫常壓下陳腐2～3小時；得泥料；3)擠出成型；4)干燥；5)燒成。采用該方法所生產(chǎn)的碳化硅蜂窩陶瓷具有孔洞可控，比表面積高，強度滿足要求等特點。
文檔編號C04B35/565GK102503533SQ20111032720
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者朱林, 楊輝, 郭興忠 申請人:浙江大學(xué)