本發(fā)明屬于多孔碳化硅材料技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

多孔碳化硅材料自20世紀(jì)70年代開發(fā)以來，因具有耐高溫、耐腐蝕和抗熱震性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電子和生物等領(lǐng)域。

目前，氮化硅結(jié)合碳化硅材料的制備主要是通過氮?dú)馀c硅粉直接接觸發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅，使得多孔氮化硅結(jié)合碳化硅的產(chǎn)品內(nèi)部的硅粉無法與氮?dú)獬浞纸佑|，不僅降低了硅粉的利用率，而且殘存的硅粉與氮化硅形成結(jié)構(gòu)缺陷，影響產(chǎn)品的性能。如“一種多孔氮化硅結(jié)合碳化硅復(fù)合陶瓷材料及其制備方法”（CN104926316 A）專利技術(shù)，因其硅粉在產(chǎn)品內(nèi)部容易造成反應(yīng)不完全而殘留，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)外結(jié)構(gòu)不均一，而且在復(fù)合陶瓷材料中氮化硅以顆粒狀態(tài)存在，增強(qiáng)作用有限，限制了產(chǎn)品的應(yīng)用。又如在多孔碳化硅材料研究進(jìn)展中（陳以心，王日初，王小鋒，彭超群，孫月花.多孔SiC陶瓷的研究進(jìn)展[J].中國有色金屬學(xué)報,2015,第25卷(第8期): 2146-2156）所總結(jié)的多種制備方法，包括顆粒堆積燒結(jié)法、模板法、添加造孔劑法和直接發(fā)泡成形法等，但沒有指出通過氮源和發(fā)泡劑結(jié)合制備氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料，所以其實(shí)際獲得的產(chǎn)品氣孔孔徑不均一，機(jī)械強(qiáng)度較低，抗侵蝕性能差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種工藝簡單、成本低廉、原料利用率高和過程易于控制的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料的制備方法，用該方法制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料氣孔大小均一、氣孔分布均勻和機(jī)械強(qiáng)度高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案的具體步驟是：

步驟一、以40~70wt%的碳化硅粉、15~35wt%的硅粉、1~5wt%的催化劑和10~20wt%的氮源為原料，外加所述原料20~30wt%的去離子水，攪拌30~60min，得到陶瓷漿料。

步驟二、在攪拌條件下，向所述陶瓷漿料加入所述原料10~20wt%的發(fā)泡劑制成的泡沫，所述泡沫加入完畢，再持續(xù)攪拌30~60min，得到陶瓷泡沫漿料；所述泡沫中發(fā)泡劑和去離子水的質(zhì)量比為1∶（10~15）。

步驟三、將所述陶瓷泡沫漿料倒入模具中，在室溫條件和氮?dú)猸h(huán)境中靜置1~48h；然后在60~110℃條件下干燥12~24h，脫模，得到陶瓷坯體。

步驟四、將所述陶瓷坯體置于真空管式爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥諚l件下，先以5~10℃/min的速率升溫至1100~1150℃，保溫1~2h；再以1~4℃/min的速率升溫至1200~1600℃，保溫3~6h，然后自然冷卻至室溫，即得氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料。

所述碳化硅粉的純度為85~99.9wt%，粒度為0.1~200μm。

所述硅粉的純度為85~99.9wt%，粒度為0.1~200μm。

所述催化劑為鐵粉、鈷粉、鎳粉中的一種；所述催化劑的純度為99wt%以上，粒度為1~200μm。

所述氮源為疊氮化鈉和氯化銨中的一種以上；氮源的純度為99.0~99.9 wt%。

所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素中的一種以上。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：

本發(fā)明以碳化硅粉、硅粉、催化劑和氮源為原料，成本低廉；其制備工藝是在原料中加入泡沫，攪拌，澆注成型，干燥，脫模，高溫?zé)?，即得氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料，工藝簡單和過程易于控制。

本發(fā)明采用發(fā)泡法將泡沫引入陶瓷漿料中得到陶瓷泡沫漿料，使制得的陶瓷坯體具有多孔結(jié)構(gòu)。外部通入的氮?dú)馀c陶瓷坯體表面的硅粉接觸發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅，同時外部通入的氮?dú)馔ㄟ^氣孔進(jìn)入坯體內(nèi)部與硅粉發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅。氮源在高溫下分解產(chǎn)生氮?dú)?，使陶瓷坯體內(nèi)部的氮?dú)鉂舛忍岣?，促進(jìn)氮?dú)馀c硅粉的接觸，提高硅粉氮化率同時促進(jìn)氮化硅形成，原料利用率高。從XRD分析結(jié)果可知，氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料內(nèi)只有碳化硅和氮化硅兩種物相，說明硅粉完全反應(yīng)生成氮化硅。氮化硅納米線起橋連作用，提高了氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料的機(jī)械強(qiáng)度。

另外，催化劑與硅粉形成活性中心，使氮?dú)馀c硅粉能在較低的熱處理溫度下發(fā)生反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，催化劑與硅粉形成小液滴，硅蒸氣和氮?dú)馊芙庠谝旱沃?。隨著氮化硅晶粒的生長，少量的含催化劑小液滴將被不斷推動并最終產(chǎn)生氮化硅納米線。熱處理過程中不生成有害物質(zhì)，節(jié)能環(huán)保。原位生成的氮化硅納米線起橋連作用，提升氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料的機(jī)械強(qiáng)度，所制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：常溫耐壓強(qiáng)度50~70MPa，高溫抗折強(qiáng)度20~30MPa。

因此，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低廉、原料利用率高和過程易于控制的特點(diǎn)，所制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料氣孔大小均一、氣孔分布均勻和機(jī)械強(qiáng)度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料的XRD圖；

圖2為圖1所示氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料SEM圖。

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例中所述原料及試劑均市售可得。

為避免重復(fù)，先將本具體實(shí)施方式的原料統(tǒng)一描述如下，實(shí)施例中不再贅述：

所述碳化硅粉的純度為85~99.9wt%，粒度為0.1~200μm。

所述硅粉的純度為85~99.9wt%，粒度為0.1~200μm。

所述催化劑的純度為99wt%以上，粒度為1~200μm。。

所述氮源的純度為99.0~99.9 wt%。

實(shí)施例1

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例所述制備方法的步驟是：

步驟一、以40~55wt%的碳化硅粉、25~35wt%的硅粉、1~5wt%的催化劑和15~20wt%的氮源為原料，外加所述原料20~26wt%的去離子水，攪拌30~60min，得到陶瓷漿料。

步驟二、在攪拌條件下，向所述陶瓷漿料加入所述原料10~14wt%的發(fā)泡劑制成的泡沫，所述泡沫加入完畢，再持續(xù)攪拌30~60min，得到陶瓷泡沫漿料；所述泡沫中發(fā)泡劑和去離子水的質(zhì)量比為1∶（10~13）。

步驟三、將所述陶瓷泡沫漿料倒入模具中，在室溫條件和氮?dú)猸h(huán)境中靜置1~24h；然后在60~110℃條件下干燥12~24h，脫模，得到陶瓷坯體。

步驟四、將所述陶瓷坯體置于真空管式爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥諚l件下，先以5~10℃/min的速率升溫至1100~1150℃，保溫1~2h；再以1~4℃/min的速率升溫至1200~1400℃，保溫3~6h；然后自然冷卻至室溫，即得氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料。

所述催化劑為鐵粉。

所述氮源為疊氮化鈉。

所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為22~28MPa；耐壓強(qiáng)度為55~65MPa。

實(shí)施例2

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例1。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯醚的混合物。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為22~28MPa；耐壓強(qiáng)度為55~65MPa。

實(shí)施例3

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例1。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為脂肪醇聚氧乙烯醚、羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素的混合物。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為22~28MPa；耐壓強(qiáng)度為55~65MPa。

實(shí)施例4

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例所述制備方法的步驟是：

步驟一、以50~65wt%的碳化硅粉、20~30wt%的硅粉、1~5wt%的催化劑和13~17wt%的氮源為原料，外加所述原料22~28wt%的去離子水，攪拌30~60min，得到陶瓷漿料。

步驟二、在攪拌條件下，向所述陶瓷漿料加入所述原料13~17wt%的發(fā)泡劑制成的泡沫，所述泡沫加入完畢，再持續(xù)攪拌30~60min，得到陶瓷泡沫漿料；所述泡沫中發(fā)泡劑和去離子水的質(zhì)量比為1∶（11~14）。

步驟三、將所述陶瓷泡沫漿料倒入模具中，在室溫條件和氮?dú)猸h(huán)境中靜置12~36h；然后在60~110℃條件下干燥12~24h，脫模，得到陶瓷坯體。

步驟四、將所述陶瓷坯體置于真空管式爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥諚l件下，先以5~10℃/min的速率升溫至1100~1150℃，保溫1~2h；再以1~4℃/min的速率升溫至1300~1500℃，保溫3~6h；然后自然冷卻至室溫，即得氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料。

所述催化劑為鈷粉。

所述氮源為氯化銨。

所述發(fā)泡劑為脂肪醇聚氧乙烯醚。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為24~30MPa；耐壓強(qiáng)度為60~70MPa。

實(shí)施例5

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例4。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為

脂肪醇聚氧乙烯醚和羥甲基纖維素鈉的混合物。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為24~30MPa；耐壓強(qiáng)度為60~70MPa。

實(shí)施例6

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例4。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚、羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素的混合物。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為24~30MPa；耐壓強(qiáng)度為60~70MPa。

實(shí)施例7

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例所述制備方法的步驟是：

步驟一、以60~70wt%的碳化硅粉、15~25wt%的硅粉、1~5wt%的催化劑和10~16wt%的氮源為原料，外加所述原料24~30wt%的去離子水，攪拌30~60min，得到陶瓷漿料。

步驟二、在攪拌條件下，向所述陶瓷漿料加入所述原料16~20wt%的發(fā)泡劑制成的泡沫，所述泡沫加入完畢，再持續(xù)攪拌30~60min，得到陶瓷泡沫漿料；所述泡沫中發(fā)泡劑和去離子水的質(zhì)量比為1∶（12~15）。

步驟三、將所述陶瓷泡沫漿料倒入模具中，在室溫條件和氮?dú)猸h(huán)境中靜置24~48h；然后在60~110℃條件下干燥12~24h，脫模，得到陶瓷坯體。

步驟四、將所述陶瓷坯體置于真空管式爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥諚l件下，先以5~10℃/min的速率升溫至1100~1150℃，保溫1~2h；再以1~4℃/min的速率升溫至1400~1600℃，保溫3~6h；然后自然冷卻至室溫，即得氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料。

所述催化劑為鎳粉。

所述氮源為疊氮化鈉和氯化銨的混合物。

所述發(fā)泡劑為羥甲基纖維素鈉或?yàn)榱u乙基纖維素。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為20~26MPa；耐壓強(qiáng)度為50~65MPa。

實(shí)施例8

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例7。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素的混合物。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為20~26MPa；耐壓強(qiáng)度為50~65MPa。

實(shí)施例9

一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例7。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素的混合物。

本實(shí)施例制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為20~26MPa；耐壓強(qiáng)度為50~65MPa。

本具體實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：

本發(fā)明以碳化硅粉、硅粉、催化劑和氮源為原料，成本低廉；其制備工藝是在原料中加入泡沫，攪拌，澆注成型，干燥，脫模，高溫?zé)桑吹玫杓{米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料，工藝簡單和過程易于控制。

本發(fā)明采用發(fā)泡法將泡沫引入陶瓷漿料中得到陶瓷泡沫漿料，使制得的陶瓷坯體具有多孔結(jié)構(gòu)。外部通入的氮?dú)馀c陶瓷坯體表面的硅粉接觸發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅，同時外部通入的氮?dú)馔ㄟ^氣孔進(jìn)入坯體內(nèi)部與硅粉發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅。氮源在高溫下分解產(chǎn)生氮?dú)?，使陶瓷坯體內(nèi)部的氮?dú)鉂舛忍岣?，促進(jìn)氮?dú)馀c硅粉的接觸，提高硅粉氮化率同時促進(jìn)氮化硅形成，原料利用率高。圖1為實(shí)施例1制備的一種氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料的XRD圖譜，由圖1可知，燒成后的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料內(nèi)只有碳化硅和氮化硅兩種物相，說明硅粉完全反應(yīng)生成氮化硅。圖2為圖1所示氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料SEM圖，由圖2可知，氮化硅納米線起橋連作用，提高了氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料的機(jī)械強(qiáng)度。

另外，催化劑與硅粉形成活性中心，使氮?dú)馀c硅粉能在較低的熱處理溫度下發(fā)生反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，催化劑與硅粉形成小液滴，硅蒸氣和氮?dú)馊芙庠谝旱沃?。隨著氮化硅晶粒的生長，少量的含催化劑小液滴將被不斷推動并最終產(chǎn)生氮化硅納米線。熱處理過程中不生成有害物質(zhì)，節(jié)能環(huán)保。原位生成的氮化硅納米線起橋連作用，提升氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料的機(jī)械強(qiáng)度，所制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料經(jīng)檢測：常溫耐壓強(qiáng)度50~70MPa，高溫抗折強(qiáng)度20~30MPa。

因此，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低廉、原料利用率高和過程易于控制的特點(diǎn)，所制備的氮化硅納米線增強(qiáng)多孔碳化硅材料氣孔大小均一、氣孔分布均勻和機(jī)械強(qiáng)度高。