專利名稱：高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法
技術領域：
本方明涉及一種高強度碳化硅多孔陶瓷及其制備方法，具體地說，是涉及一種汽車尾氣凈化、高溫過濾、熱交換等用途的碳化硅載體材料制備方法。
背景技術：
碳化硅多孔陶瓷是通過在碳化硅陶瓷基體中進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、高強度、高孔隙率、高滲透性、比表面積大、良好的隔熱性等特點，可用作高溫氣體凈化器、柴油機排放的固體顆粒過濾器、熔融金屬過濾器、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，在現代工業領域得到了廣泛的應用。關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道。如公開號 CN1369463報道了含反應合成碳硼鋁化合物相的碳化硅陶瓷及其液相燒結法。CN101333112 報道了制備碳化硅多孔陶瓷的燃燒合成法。CN101323524報道了一種定向排列孔碳化硅多孔陶瓷的制備方法。CN1442392報道了以酵母粉為造孔劑的碳化硅多孔陶瓷的制備方法。CN102219543A報道了一種可用作高溫煙塵過濾器的碳化硅多孔陶瓷的制備方法。 CN1769241報道了原位反應法制備莫來石結合的碳化硅多孔陶瓷。CN1654432報道了一種氮化硅/碳化硅多孔陶瓷的制備方法。CN201780040U報道了碳化硅蜂窩陶瓷熱交換器。 CN1807356和CN101747078A報道了納米碳化硅助劑燒結高純碳化硅蜂窩陶瓷體的制造方法。CN102010222A報道了一種碳化硅多孔陶瓷及其制備方法。CN101607158報道了一種碳化硅多孔陶瓷過濾器及其制造方法。CN101406782報道了碳化硅多孔陶瓷過濾元件的制備方法及擠壓設備。CN1341578報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用方面取得很好進展，但多孔陶瓷大多采用有機物造孔或原位反應來造孔或發泡造孔，在蜂窩陶瓷方面加入大量的有機物，這雖然造孔效果理想，但直接會導致多孔陶瓷或蜂窩陶瓷機械強度的降低，大多機械強度在20MPa 左右，有一些多孔陶瓷能雖能達到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用。開發機械強度高、氣孔率適中的碳化硅多孔陶瓷已成為該領域的發展方向。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法；該方法工藝簡單，所制備的碳化硅多孔陶瓷具有機械強度高、孔隙率適中等特性。為了解決上述技術問題，本發明提供一種高強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分散溶劑中，球磨混合后，在35 45°C進行干燥22 26小時，得到碳化硅復合粉體；2)、將上述碳化硅復合粉體于45 55MPa下進行干壓成型，獲得碳化硅坯體；3)、將上述碳化硅坯體放入真空無壓燒結爐中，進行兩步燒結，得到高強度碳化硅多孔陶瓷。作為本發明的高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法的改進由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%。作為本發明的高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法的進一步改進兩步燒結為先升溫至1450 1500°C真空脫氣3 5小時，然后升溫至2150 2250°C于氬氣保護下燒結 30 60分鐘。作為本發明的高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法的進一步改進有機分散溶劑為由乙醇、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。有機分散溶劑與原料的比例任意調配(一般與原料形成的料液比為Ig原料 /3 5毫升有機分散溶劑)。作為本發明的高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法的進一步改進步驟1)的球磨混合時間為24 28小時。本發明的方法工藝簡單，所制備的碳化硅多孔陶瓷機械強度高、孔隙率適中，是汽車尾氣凈化載體、高溫過濾、熱交換理想的材料。本發明的高強度碳化硅多孔陶瓷具有以下優點1)利用碳化硅晶粒生長實現碳化硅陶瓷的致密，在高溫下，β-碳化硅能轉變為 α -碳化硅促進碳化硅晶粒生長，而二硼化鋁也能促進碳化硅晶粒生長，利用碳化硅晶相轉變和二硼化鋁都能促進碳化硅晶粒生長的共同作用，從而實現碳化硅多孔陶瓷的燒結，這區別于其它采用燒結助劑進行燒結的方法。2)利用聚碳硅烷進行適當造孔，由于利用晶粒生長方式進行燒結已經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，并借助其產生適當孔隙，而對碳化硅多孔陶瓷進行造孔控制，實現碳化硅多孔陶瓷孔隙率的可控。3)碳化硅多孔陶瓷的機械強度可達60MPa以上，氣孔率在40% 55%之間，足以滿足汽車尾氣凈化載體、高溫過濾、熱交換對材料機械性能和氣孔率的要求，且生產工藝簡單，能適應工業化生產。綜上所述，本發明利用β -碳化硅在高溫下轉變為α -碳化硅可促進碳化硅晶粒生長，以及二硼化鋁促進碳化硅晶粒生長的趨勢，而實現碳化硅多孔陶瓷的燒結，而利用聚碳硅烷高溫裂解成SiC并實現造孔，從而制備得到機械強度高、氣孔率適中的碳化硅多孔陶瓷。該方法工藝簡單，所制備的碳化硅多孔陶瓷機械強度高、孔隙率適中，是汽車尾氣凈化載體、高溫過濾、熱交換理想的材料。
具體實施例方式以下實施例中所用到的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。實施例1、一種高強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分散溶劑中，球磨混合24小時后，40°C干燥24小時，得到碳化硅復合粉體；原料與有機分散溶劑的料液比為lg/3ml ；2)、對碳化硅復合粉體在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壓燒結爐中，先升溫至1500°C真空脫氣4小時， 然后升溫至220(TC于氬氣保護下燒結45分鐘，制備而成碳化硅多孔陶瓷。該碳化硅多孔陶瓷機械強度為61MPa，孔隙率為55%。實施例2、一種高強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分散溶劑中，球磨混合24小時后，40°C干燥24小時，得到碳化硅復合粉體；該原料與有機分散溶劑的料液比為lg/5ml ；2)、對碳化硅復合粉體在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壓燒結爐中，先升溫至1500°C真空脫氣3小時， 然后升溫至220(TC于氬氣保護下燒結50分鐘，制備而成碳化硅多孔陶瓷。該碳化硅多孔陶瓷機械強度為65MPa，孔隙率為55%。實施例3、一種高強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分散溶劑中，球磨混合24小時后，40°C干燥24小時，得到碳化硅復合粉體；該原料與有機分散溶劑的料液比為lg/5ml ；2)、對碳化硅復合粉體在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壓燒結爐中，先升溫至1500°C真空脫氣5小時， 然后升溫至220(TC于氬氣保護下燒結40分鐘，制備而成碳化硅多孔陶瓷。該碳化硅多孔陶瓷機械強度到68MPa以上，孔隙率為42%。對比例1、取消實施例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%。其余同實施例2。該碳化硅多孔陶瓷機械強度為41MPa，孔隙率為44%。對比例2、將實施例2中的88. 65% α -碳化硅粉體、9. 85% β -碳化硅粉體分別對應的改成94% α-碳化硅粉體、3. 5% β-碳化硅粉體。其余同實施例2。該碳化硅多孔陶瓷機械強度到49MPa，孔隙率為43 %。對比例3、將實施例2中的88. 65% α -碳化硅粉體、9. 85% β -碳化硅粉體分別對應的改成39. 4% α-碳化硅粉體、59. 1% β-碳化硅粉體。其余同實施例2。 該碳化硅多孔陶瓷機械強度到45MPa，孔隙率為50 %。 對比例4、將實施例2中的0. 5%二硼化鋁改成0. 5%二硼化鋯。其余同實施例2。
該碳化硅多孔陶瓷機械強度到20MPa，孔隙率為53 %。對比例5、將實施例2中的0. 5 %二硼化鋁改成0. 5 %硼酸鋁。其余同實施例2。該碳化硅多孔陶瓷機械強度到25MPa，孔隙率為55 %。對比例6、取消實施例2中二硼化鋁的使用，將聚碳硅烷的含量由1.0%改成 1.5%。其余同實施例2。該碳化硅多孔陶瓷機械強度到15MPa，孔隙率為61 %。最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的若干個具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。
權利要求
1.高強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分散溶劑中，球磨混合后，在35 45°C進行干燥22 26小時，得到碳化硅復合粉體；2)、將上述碳化硅復合粉體于45 55MPa下進行干壓成型，獲得碳化硅坯體；3)、將上述碳化硅坯體放入真空無壓燒結爐中，進行兩步燒結，得到高強度碳化硅多孔陶瓷。
2.根據權利要求1所述的高強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.根據權利要求2所述的高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是所述兩步燒結為先升溫至1450 1500°C真空脫氣3 5小時，然后升溫至2150 2250°C于氬氣保護下燒結30 60分鐘。
4.根據權利要求3所述的高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是所述有機分散溶劑為由乙醇、二甲苯和正己烷組成的混合溶劑。
5.根據權利要求4所述的高強度碳化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是所述步驟1) 的球磨混合時間為24 28小時。
全文摘要
本發明公開了一種高強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分散溶劑中，球磨混合、干燥；2)將所得的碳化硅復合粉體于45～55MPa下進行干壓成型；3)將所得的碳化硅坯體放入真空無壓燒結爐中，進行兩步燒結，得到高強度碳化硅多孔陶瓷。該方法工藝簡單，所制備的碳化硅多孔陶瓷具有機械強度高、孔隙率適中等特性。
文檔編號C04B38/00GK102503521SQ20111037510
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者張玲潔, 朱林, 楊輝, 鄭志榮, 郭興忠, 高黎華 申請人:浙江大學