專利名稱：高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方明涉及一種高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷及其制備方法，具體地說(shuō)，是涉及一種汽車尾氣凈化、高溫過(guò)濾、熱交換等用途的碳化硅載體材料制備方法。
背景技術(shù)：
碳化硅多孔陶瓷是通過(guò)在碳化硅陶瓷基體中進(jìn)行人為可控造孔而成、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強(qiáng)度、抗腐蝕、抗氧化、抗熱震性和耐高溫性等物化性能，而且還具備低密度、高強(qiáng)度、高孔隙率、高滲透性、比表面積大、良好的隔熱性等特點(diǎn)，可用作高溫氣體凈化器、柴油機(jī)排放的固體顆粒過(guò)濾器、熔融金屬過(guò)濾器、熱交換器、傳感器、保溫和隔音材料、汽車尾氣的催化劑載體等，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。關(guān)于碳化硅多孔陶瓷獲蜂窩陶瓷及其制備的專利已有較多報(bào)道。如公開(kāi)號(hào) CN1369463報(bào)道了含反應(yīng)合成碳硼鋁化合物相的碳化硅陶瓷及其液相燒結(jié)法。CN101333112 報(bào)道了制備碳化硅多孔陶瓷的燃燒合成法。CN101323524報(bào)道了一種定向排列孔碳化硅多孔陶瓷的制備方法。CN1442392報(bào)道了以酵母粉為造孔劑的碳化硅多孔陶瓷的制備方法。CN102219543A報(bào)道了一種可用作高溫?zé)焿m過(guò)濾器的碳化硅多孔陶瓷的制備方法。 CN1769241報(bào)道了原位反應(yīng)法制備莫來(lái)石結(jié)合的碳化硅多孔陶瓷。CN1654432報(bào)道了一種氮化硅/碳化硅多孔陶瓷的制備方法。CN201780040U報(bào)道了碳化硅蜂窩陶瓷熱交換器。 CN1807356和CN101747078A報(bào)道了納米碳化硅助劑燒結(jié)高純碳化硅蜂窩陶瓷體的制造方法。CN102010222A報(bào)道了一種碳化硅多孔陶瓷及其制備方法。CN101607158報(bào)道了一種碳化硅多孔陶瓷過(guò)濾器及其制造方法。CN101406782報(bào)道了碳化硅多孔陶瓷過(guò)濾元件的制備方法及擠壓設(shè)備。CN1341578報(bào)道了一種制備碳化硅多孔陶瓷管的方法。上述專利在多孔陶瓷或蜂窩陶瓷及應(yīng)用方面取得很好進(jìn)展，但多孔陶瓷大多采用有機(jī)物造孔或原位反應(yīng)來(lái)造孔或發(fā)泡造孔，在蜂窩陶瓷方面加入大量的有機(jī)物，這雖然造孔效果理想，但直接會(huì)導(dǎo)致多孔陶瓷或蜂窩陶瓷機(jī)械強(qiáng)度的降低，大多機(jī)械強(qiáng)度在20MPa 左右，有一些多孔陶瓷能雖能達(dá)到50MPa，但顯氣孔率明顯很低(僅為20%左右)，這些都極大地限制多孔陶瓷或蜂窩陶瓷的應(yīng)用。開(kāi)發(fā)機(jī)械強(qiáng)度高、氣孔率適中的碳化硅多孔陶瓷已成為該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法；該方法工藝簡(jiǎn)單，所制備的碳化硅多孔陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率適中等特性。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法， 以重量百分含量為98% 99%的由α-碳化硅粉體和β-碳化硅粉體組成的混合物、 0. 1.0%的二硼化鋁以及0.5% 的聚碳硅烷組成原料，依次包括以下步驟1)、將上述原料加入到有機(jī)分散溶劑中，球磨混合后，在35 45°C進(jìn)行干燥22 26小時(shí)，得到碳化硅復(fù)合粉體；2)、將上述碳化硅復(fù)合粉體于45 55MPa下進(jìn)行干壓成型，獲得碳化硅坯體；3)、將上述碳化硅坯體放入真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，進(jìn)行兩步燒結(jié)，得到高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷。作為本發(fā)明的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法的改進(jìn)由α-碳化硅粉體和 β -碳化硅粉體組成的混合物中，α -碳化硅粉體的重量含量為50% 90%，β -碳化硅粉體的重量含量為10% 50%。作為本發(fā)明的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)兩步燒結(jié)為先升溫至1450 1500°C真空脫氣3 5小時(shí)，然后升溫至2150 2250°C于氬氣保護(hù)下燒結(jié) 30 60分鐘。作為本發(fā)明的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)有機(jī)分散溶劑為由乙醇、二甲苯和正己烷組成的混合溶劑。乙醇、二甲苯和正己烷的體積比可為1 3 4 5 6。有機(jī)分散溶劑與原料的比例任意調(diào)配(一般與原料形成的料液比為Ig原料 /3 5毫升有機(jī)分散溶劑)。作為本發(fā)明的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)步驟1)的球磨混合時(shí)間為24 28小時(shí)。本發(fā)明的方法工藝簡(jiǎn)單，所制備的碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率適中，是汽車尾氣凈化載體、高溫過(guò)濾、熱交換理想的材料。本發(fā)明的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷具有以下優(yōu)點(diǎn)1)利用碳化硅晶粒生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)碳化硅陶瓷的致密，在高溫下，β-碳化硅能轉(zhuǎn)變?yōu)?α -碳化硅促進(jìn)碳化硅晶粒生長(zhǎng)，而二硼化鋁也能促進(jìn)碳化硅晶粒生長(zhǎng)，利用碳化硅晶相轉(zhuǎn)變和二硼化鋁都能促進(jìn)碳化硅晶粒生長(zhǎng)的共同作用，從而實(shí)現(xiàn)碳化硅多孔陶瓷的燒結(jié)，這區(qū)別于其它采用燒結(jié)助劑進(jìn)行燒結(jié)的方法。2)利用聚碳硅烷進(jìn)行適當(dāng)造孔，由于利用晶粒生長(zhǎng)方式進(jìn)行燒結(jié)已經(jīng)使碳化硅多孔陶瓷有一定的孔隙率，再利用聚碳硅烷在高溫下裂解成SiC，并借助其產(chǎn)生適當(dāng)孔隙，而對(duì)碳化硅多孔陶瓷進(jìn)行造孔控制，實(shí)現(xiàn)碳化硅多孔陶瓷孔隙率的可控。3)碳化硅多孔陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)60MPa以上，氣孔率在40% 55%之間，足以滿足汽車尾氣凈化載體、高溫過(guò)濾、熱交換對(duì)材料機(jī)械性能和氣孔率的要求，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，能適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。綜上所述，本發(fā)明利用β -碳化硅在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)棣?-碳化硅可促進(jìn)碳化硅晶粒生長(zhǎng)，以及二硼化鋁促進(jìn)碳化硅晶粒生長(zhǎng)的趨勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)碳化硅多孔陶瓷的燒結(jié)，而利用聚碳硅烷高溫裂解成SiC并實(shí)現(xiàn)造孔，從而制備得到機(jī)械強(qiáng)度高、氣孔率適中的碳化硅多孔陶瓷。該方法工藝簡(jiǎn)單，所制備的碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率適中，是汽車尾氣凈化載體、高溫過(guò)濾、熱交換理想的材料。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例中所用到的α -碳化硅粉體、β -碳化硅粉體、二硼化鋁的平均粒徑分別為0. 7 0. 8 μ mm、0. 2 0. 3 μ m、0. 4 0. 6 μ m，聚碳硅烷為液體。實(shí)施例1、一種高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，以重量百分含量為49. 5%α -碳化硅粉體、49. 4% β-碳化硅粉體、0. 二硼化鋁和1. 0%聚碳硅烷組成原料，依次進(jìn)行以下步驟1)、將上述原料加入到乙醇、二甲苯、正己烷按照1 4 5的體積比組成的有機(jī)分散溶劑中，球磨混合24小時(shí)后，40°C干燥24小時(shí)，得到碳化硅復(fù)合粉體；原料與有機(jī)分散溶劑的料液比為lg/3ml ；2)、對(duì)碳化硅復(fù)合粉體在50MPa下干壓成型，獲得碳化硅坯體；3)、將上述碳化硅坯體放入真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，先升溫至1500°C真空脫氣4小時(shí)， 然后升溫至220(TC于氬氣保護(hù)下燒結(jié)45分鐘，制備而成碳化硅多孔陶瓷。該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度為61MPa，孔隙率為55%。實(shí)施例2、一種高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，以重量百分含量為88. 65% α -碳化硅粉體、9. 85% β-碳化硅粉體、0. 5% 二硼化鋁和1. 0%聚碳硅烷組成原料，依次進(jìn)行以下步驟1)、將上述原料加入到乙醇、二甲苯、正己烷按照1 3 6的體積比組成的有機(jī)分散溶劑中，球磨混合24小時(shí)后，40°C干燥24小時(shí)，得到碳化硅復(fù)合粉體；該原料與有機(jī)分散溶劑的料液比為lg/5ml ；2)、對(duì)碳化硅復(fù)合粉體在50MPa下干壓成型，獲得碳化硅坯體；3)、將上述碳化硅坯體放在真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，先升溫至1500°C真空脫氣3小時(shí)， 然后升溫至220(TC于氬氣保護(hù)下燒結(jié)50分鐘，制備而成碳化硅多孔陶瓷。該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度為65MPa，孔隙率為55%。實(shí)施例3、一種高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，由重量百分含量為68.95% α -碳化硅粉體、29. 55% β -碳化硅粉體、1. 0%二硼化鋁和0. 5%聚碳硅烷組成原料，依次進(jìn)行以下步驟1)、將上述原料加入到乙醇、二甲苯、正己烷按照1 3.5 5. 5的體積比組成的有機(jī)分散溶劑中，球磨混合24小時(shí)后，40°C干燥24小時(shí)，得到碳化硅復(fù)合粉體；該原料與有機(jī)分散溶劑的料液比為lg/5ml ；2)、對(duì)碳化硅復(fù)合粉體在50MPa下干壓成型，獲得碳化硅坯體；3)、將上述碳化硅坯體放在真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，先升溫至1500°C真空脫氣5小時(shí)， 然后升溫至220(TC于氬氣保護(hù)下燒結(jié)40分鐘，制備而成碳化硅多孔陶瓷。該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度到68MPa以上，孔隙率為42%。對(duì)比例1、取消實(shí)施例2中的β-碳化硅粉體，將α-碳化硅粉體的重量百分含量由88. 65%改成98. 5%。其余同實(shí)施例2。該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度為41MPa，孔隙率為44%。對(duì)比例2、將實(shí)施例2中的88. 65% α -碳化硅粉體、9. 85% β -碳化硅粉體分別對(duì)應(yīng)的改成94% α-碳化硅粉體、3. 5% β-碳化硅粉體。其余同實(shí)施例2。該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度到49MPa，孔隙率為43 %。對(duì)比例3、將實(shí)施例2中的88. 65% α -碳化硅粉體、9. 85% β -碳化硅粉體分別對(duì)應(yīng)的改成39. 4% α-碳化硅粉體、59. 1% β-碳化硅粉體。其余同實(shí)施例2。 該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度到45MPa，孔隙率為50 %。 對(duì)比例4、將實(shí)施例2中的0. 5%二硼化鋁改成0. 5%二硼化鋯。其余同實(shí)施例2。
該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度到20MPa，孔隙率為53 %。對(duì)比例5、將實(shí)施例2中的0. 5 %二硼化鋁改成0. 5 %硼酸鋁。其余同實(shí)施例2。該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度到25MPa，孔隙率為55 %。對(duì)比例6、取消實(shí)施例2中二硼化鋁的使用，將聚碳硅烷的含量由1.0%改成 1.5%。其余同實(shí)施例2。該碳化硅多孔陶瓷機(jī)械強(qiáng)度到15MPa，孔隙率為61 %。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)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(kāi)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(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是以重量百分含量為98% 99%的由 α-碳化硅粉體和β-碳化硅粉體組成的混合物、0. 1.0%的二硼化鋁以及0.5% 的聚碳硅烷組成原料，依次包括以下步驟1)、將上述原料加入到有機(jī)分散溶劑中，球磨混合后，在35 45°C進(jìn)行干燥22 26小時(shí)，得到碳化硅復(fù)合粉體；2)、將上述碳化硅復(fù)合粉體于45 55MPa下進(jìn)行干壓成型，獲得碳化硅坯體；3)、將上述碳化硅坯體放入真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，進(jìn)行兩步燒結(jié)，得到高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是所述由 α -碳化硅粉體和β -碳化硅粉體組成的混合物中，α -碳化硅粉體的重量含量為50% 90%, β-碳化硅粉體的重量含量為10% 50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是所述兩步燒結(jié)為先升溫至1450 1500°C真空脫氣3 5小時(shí)，然后升溫至2150 2250°C于氬氣保護(hù)下燒結(jié)30 60分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是所述有機(jī)分散溶劑為由乙醇、二甲苯和正己烷組成的混合溶劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是所述步驟1) 的球磨混合時(shí)間為24 28小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，以重量百分含量為98％～99％的由α-碳化硅粉體和β-碳化硅粉體組成的混合物、0.1％～1.0％的二硼化鋁以及0.5％～1％的聚碳硅烷組成原料，依次包括以下步驟1)將上述原料加入到有機(jī)分散溶劑中，球磨混合、干燥；2)將所得的碳化硅復(fù)合粉體于45～55MPa下進(jìn)行干壓成型；3)將所得的碳化硅坯體放入真空無(wú)壓燒結(jié)爐中，進(jìn)行兩步燒結(jié)，得到高強(qiáng)度碳化硅多孔陶瓷。該方法工藝簡(jiǎn)單，所制備的碳化硅多孔陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率適中等特性。
文檔編號(hào)C04B38/00GK102503521SQ20111037510
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者張玲潔, 朱林, 楊輝, 鄭志榮, 郭興忠, 高黎華 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)