專利名稱：一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷及其制備技術，屬于多孔陶瓷材料制備技術領域。
背景技術：
碳化硅多孔陶瓷具有耐高溫、抗氧化、抗熱震、耐腐蝕等優異性能，在過濾器、催化劑載體、熱交換器、電極、傳感器等領域都具有非常廣闊的應用前景。碳化硅多孔陶瓷的制備工藝一般有部分燒結法、發泡法、有機泡沫浸漬法、溶膠-凝膠法等。孔梯度陶瓷是多孔陶瓷的一種。它和傳統的均勻材料相比，具有明顯的不均勻性，因而材料的孔隙率、孔徑、強度在材料的厚度方向呈現出獨特的分布狀態。中國專利申請(公開號CN101182233A)公開了一種采用冷凍干燥結合流延工藝制備孔梯度多孔陶瓷膜的方法，制備出孔徑0. 1 100 μ m且具有定向分布的梯度二氧化鈦多孔陶瓷膜。中國專利申請(公開號CN101148360A)公開了光固化快速成型結合凝膠注模工藝制備孔梯度多孔陶瓷的方法。上述方法均容易在燒結過程中生成閉氣孔，影響多孔陶瓷的使用效果。Colombo采用聚合物陶瓷先作為驅體，以聚酰胺脂作為發泡劑，經裂解后獲得 SiOC多孔陶瓷。2005年Herzgo等采用聚硅氧烷作為前驅體包裹在SiC顆粒表面，在1000°C 下裂解后獲得碳化硅多孔陶瓷。

發明內容
本發明的目的是為了提出一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷及其制備方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的。本發明的一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷，包括聚碳硅烷和碳化硅粉體，以碳化硅粉體的總質量為100份計算，聚碳硅烷含量為2 10份；還可以包括碳粉，加入的碳粉的含量為5 15份；其中，聚碳硅烷為先驅體，碳化硅粉體為骨架，且由細碳化硅粉體、粗碳化硅粉體或細碳化硅粉體和粗碳化硅粉體的混合物組成，碳粉為造孔劑；當碳化硅粉體為細碳化硅粉體和粗碳化硅粉體的混合物時粗碳化硅粉體與細碳化硅粉體的粒度之比大于等于7。本發明的一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，具體步驟為1)將碳化硅粉體和聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，還可以將碳粉也加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，研磨并過100目篩，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體或包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體；2)改變碳化硅粉體中細碳化硅粉體和粗碳化硅粉體的質量比例關系及碳粉的添加量，重復步驟1)所述過程，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體或包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體；3)將步驟1)和步驟幻得到的包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體或包覆有聚碳硅烷的
3碳化硅和碳粉的混合粉體按順序放入金屬模具中，在30 70MPa的壓力下干壓成型，保壓 2 5min，脫模，得到梯度碳化硅多孔陶瓷素坯；4)將步驟3)中得到的梯度碳化硅多孔陶瓷素坯以1 5°C /min升溫速率升至 900 1100°C，在惰性氣氛保護下進行裂解1 2h，然后以1 5°C /min降溫速率降至室溫，獲得梯度碳化硅多孔陶瓷中間體，然后將梯度碳化硅多孔陶瓷中間體在空氣中以1 5°C /min升溫速率升溫至650 850°C，保溫3 證，氧化去除碳粉造孔劑，即得到梯度碳化硅多孔陶瓷。本發明所制備的孔梯度碳化硅多孔陶瓷孔隙率在25% 59%之間，且梯度分布方式可調。根據上述方法制得的孔梯度碳化硅多孔陶瓷孔隙率呈梯度分布，且分布方式可通過添加順序控制；用該方法制備的孔梯度碳化硅多孔陶瓷具有可控孔隙率分布，孔與孔之間呈三維連通狀態，克服了現有孔梯度碳化硅多孔陶瓷由于燒結過程中不同部位收縮差異較大而導致開裂的問題，可以制備尺寸較大的孔梯度碳化硅多孔陶瓷。本發明不僅局限于孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備，也可用于氧化鋁、氮化硅、氧化鋯多孔陶瓷制備。有益效果本發明可以在低溫下制備出孔梯度碳化硅多孔陶瓷；可以制備出各種形狀的多孔陶瓷；陶瓷先驅體具有較高的陶瓷產率；所制備的孔梯度碳化硅多孔陶瓷具有可控的三維連通孔，且孔分布具有可設計性；可以制備尺寸較大的孔梯度碳化硅多孔陶瓷。


圖1是實施例2中梯度碳化硅多孔陶瓷素坯的成份分布示意圖；圖2是實施例2中步驟1)和步驟2、制備的包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體的顯微形貌圖；圖3是是實施例2中步驟2~)和步驟幻制備的包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體的顯微形貌圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。實施例1一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，以所添加的碳化硅粉體的總質量為100 份計算，具體步驟為1)將20份10 μ m的細碳化硅粉體、80份粗碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；2)將40份10 μ m的細碳化硅粉體、60份粗碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；3)將100份10 μ m的細碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；4)將100份10 μ m的細碳化硅粉體、5份碳粉和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體，研磨并過100目篩；5)將步驟1)、步驟幻、步驟幻和步驟4)得到的粉體按順序鋪入金屬模具中，在 40MI^的壓力下干壓成型，保壓5min，脫模，得到梯度碳化硅多孔陶瓷素坯；成份分布如圖1 所示；6)將步驟5)中得到的梯度碳化硅多孔陶瓷素坯以1°C /min升溫速率升至 1000°C，在氬氣氣氛保護下進行裂解1. 5h，然后以5°C /min降溫速率降至室溫，獲得梯度碳化硅多孔陶瓷中間體，然后將梯度碳化硅多孔陶瓷中間體在空氣中以3°C /min升溫速率升溫至800°C，保溫4h，氧化去除碳粉造孔劑，即得到梯度碳化硅多孔陶瓷。采用上述方法制備的孔梯度碳化硅多孔陶瓷孔隙率呈梯度分布狀態，由上至下孔隙率分別為 25%,34%,51%,59%0實施例2一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，以所添加的碳化硅粉體的總質量為100 份計算，具體步驟為1)將20份10 μ m的細碳化硅粉體、80份粗碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；如圖2中左側部分；2)將100份10 μ m的細碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；如圖2中右側部分和圖3中左側部分；3)將100份10 μ m的細碳化硅粉體、5份碳粉和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體，研磨并過100目篩；如圖3中右側部分；4)將步驟1)、步驟2)和步驟3)得到的粉體按順序鋪入金屬模具中，在40MPa的壓力下干壓成型，保壓5min，脫模，得到梯度碳化硅多孔陶瓷素坯；5)將步驟4)中得到的梯度碳化硅多孔陶瓷素坯以1°C /min升溫速率升至 1050°C，在氬氣氣氛保護下進行裂解1. 5h，然后以5°C /min降溫速率降至室溫，獲得梯度碳化硅多孔陶瓷中間體，然后將梯度碳化硅多孔陶瓷中間體在空氣中以3°C /min升溫速率升溫至800°C，保溫4h，氧化去除碳粉造孔劑，即得到梯度碳化硅多孔陶瓷。采用上述方法制備的孔梯度碳化硅多孔陶瓷孔隙率呈梯度分布狀態，由上至下孔隙率分別為25%,51%,59%0實施例3一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，以所添加的碳化硅粉體的總質量為100 份計算，具體步驟為1)將20份10 μ m的細碳化硅粉體、80份粗碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二
甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；2)將100份10 μ m的細碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；3)將100份10 μ m的細碳化硅粉體、5份碳粉和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體，研磨并過100目篩；4)將100份10 μ m的細碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；5)將20份10 μ m的細碳化硅粉體、80份粗碳化硅粉體和5份聚碳硅烷加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合池，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體，研磨并過100目篩；6)將步驟1)、步驟2~)、步驟幻、步驟4)和步驟幻得到的粉體按順序鋪入金屬模具中，在40MPa的壓力下干壓成型，保壓5min，脫模，得到梯度碳化硅多孔陶瓷素坯；7)將步驟6)中得到的梯度碳化硅多孔陶瓷素坯以1°C /min升溫速率升至 1000°C，在氬氣氣氛保護下進行裂解1. 5h，然后以5°C /min降溫速率降至室溫，獲得梯度碳化硅多孔陶瓷中間體，然后將梯度碳化硅多孔陶瓷中間體在空氣中以3°C /min升溫速率升溫至800°C，保溫4h，氧化去除碳粉造孔劑，即得到梯度碳化硅多孔陶瓷。采用上述方法制備的孔梯度碳化硅多孔陶瓷孔隙率呈梯度分布狀態，由上至下孔隙率分別為 25%,51%,59%,51%,25%0
權利要求
1.一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷，其特征在于包括聚碳硅烷和碳化硅粉體，以碳化硅粉體的總質量為100份計算，聚碳硅烷含量為2 10份；碳化硅粉體由細碳化硅粉體、粗碳化硅粉體或細碳化硅粉體和粗碳化硅粉體的混合物組成。
2.根據權利要求1所述的一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷，其特征在于還包括碳粉，以碳化硅粉體的總質量為100份計算，加入的碳粉的含量為5 15份。
3.根據權利要求1或2所述的一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷，其特征在于碳化硅粉體為細碳化硅粉體和粗碳化硅粉體的混合物時粗碳化硅粉體與細碳化硅粉體的粒度之比大于等于7。
4.一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于具體步驟為1)將碳化硅粉體和聚碳硅烷兩者加入到二甲苯溶液中或將碳化硅粉體、聚碳硅烷和碳粉三者一起加入到二甲苯溶液中，然后球磨混合3h，得到混濁液；然后除去混濁液中的溶劑，研磨并過100目篩，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體或包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體；2)改變碳化硅粉體中細碳化硅粉體和粗碳化硅粉體的質量比例關系及碳粉的添加量， 重復步驟1)所述過程，得到包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體或包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體；3)將步驟1)和步驟幻得到的包覆有聚碳硅烷的碳化硅粉體或包覆有聚碳硅烷的碳化硅和碳粉的混合粉體按順序放入金屬模具中，在30 70MPa的壓力下干壓成型，保壓2 5min，脫模，得到梯度碳化硅多孔陶瓷素坯；4)將步驟3)中得到的梯度碳化硅多孔陶瓷素坯以1 5°C/min升溫速率升至900 1100°C，在惰性氣氛保護下進行裂解1 池，然后以1 5°C /min降溫速率降至室溫，獲得梯度碳化硅多孔陶瓷中間體，然后將梯度碳化硅多孔陶瓷中間體在空氣中以1 5°C /min 升溫速率升溫至650 850°C，保溫3 證，氧化去除碳粉造孔劑，即得到梯度碳化硅多孔陶瓷。
5.根據權利要求4所述的一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于根據該方法制備的孔梯度碳化硅多孔陶瓷孔隙率在25% 59%之間，且梯度分布方式可調。
6.根據權利要求4所述的一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于用氧化鋁代替碳化硅制備梯度氧化鋁多孔陶瓷。
7.根據權利要求4所述的一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于用氮化硅代替碳化硅制備梯度氮化硅多孔陶瓷。
8.根據權利要求4所述的一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于用氧化鋯代替碳化硅制備梯度氧化鋯多孔陶瓷。
全文摘要
本發明涉及一種孔梯度碳化硅多孔陶瓷及其制備技術，屬于多孔陶瓷材料制備技術領域。包括聚碳硅烷和碳化硅粉體，以碳化硅粉體的總質量為100份計算，聚碳硅烷含量為2～10份；還可以包括碳粉，加入的碳粉的含量為5～15份；碳化硅粉體且由細碳化硅粉體、粗碳化硅粉體或細碳化硅粉體和粗碳化硅粉體的混合物組成。本發明可以在低溫下制備出孔梯度碳化硅多孔陶瓷；可以制備出各種形狀的多孔陶瓷；陶瓷先驅體具有較高的陶瓷產率；所制備的孔梯度碳化硅多孔陶瓷具有可控的三維連通孔，且孔分布具有可設計性；可以制備尺寸較大的孔梯度碳化硅多孔陶瓷。
文檔編號C04B38/00GK102417366SQ20111025239
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者于曉東, 王富恥, 王揚衛, 譚成文, 馬壯 申請人:北京理工大學