[发明专利]无需烧结制备高气孔率纳米晶碳化硅泡沫陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及一种无需烧结制备高气孔率纳米晶碳化硅(SiC)泡沫陶瓷的方法。

背景技术

SiC泡沫陶瓷因其具有低热膨胀系数、良好的抗热冲击性、优异的高温机械性能和化学稳定性而广泛应用于汽车尾气净化、催化剂载体和熔融金属过滤以及隔热等领域。通常，SiC泡沫陶瓷的制备方法包括：有机泡沫浸渍法、凝胶注浆成型法以及反应烧结等方法。这些方法的共同缺点是都必须对泡沫粉坯进行高温长时间的烧结，因此必然存在以下问题：(1)烧结制备周期长、能耗大、成本高；(2)所制备的泡沫SiC陶瓷晶粒粗大，性能较差；所以，开发一种无需高温烧结、可获得纳米晶骨架的SiC泡沫陶瓷的低成本制备新技术显得极为必要。

燃烧合成技术由于制备材料的周期短、合成产物的纯度高、尤其是合成过程基本无能耗等特点，而成为典型的低价制备陶瓷粉体材料的新技术，并已得到了广泛的应用；以Si/C混合粉末为原料，通过燃烧合成技术可以制备SiC粉体已有许多研究报道；但是，迄今为止，所有的研究主要是针对燃烧合成SiC粉末材料；以Si/C粉为原料通过燃烧合成技术直接制备SiC泡沫陶瓷的研究尚无报道。

最近，瑞士的Gauckler研究组报道了一种制备粒子稳定型陶瓷泡沫的新技术：利用短链双亲分子修饰陶瓷颗粒表面，再经机械搅拌获得了孔隙率大于90％的陶瓷泡沫浆料，但是泡沫的强度很低，操作难度较大；而凝胶成型技术制备陶瓷坯体时可以得到强度较高的陶瓷坯体。因此，我们认为将这种“颗粒稳定泡沫”技术与凝胶成型技术相结合，应当可以制备出强度较合适的泡沫粉坯；然后将此泡沫粉坯进行燃烧合成反应，利用燃烧合成反应的高放热特性制备出具有合适强度的泡沫陶瓷。

如果将这种技术移植成功，则有望实现SiC泡沫陶瓷的直接反应合成，从而解决烧结SiC泡沫陶瓷难以避免的诸多工艺和性能问题。这不仅可以大幅度缩短SiC泡沫陶瓷的制备周期、降低其制备成本。

基于以上考虑，本发明以廉价的Si/C粉为原料，结合凝胶-颗粒稳定泡沫成型和燃烧合成工艺，提出一种不需烧结的、可以快速生产高气孔率SiC泡沫陶瓷的低成本制备技术，并且获得具有纳米晶骨架的新型SiC泡沫陶瓷。

发明内容

本发明的目的之一是克服传统制备SiC泡沫陶瓷技术必须的长时间高温烧结的缺点，进一步降低SiC泡沫陶瓷的生产成本，从而提出一种无需烧结制备高气孔率纳米晶碳化硅泡沫陶瓷的方法。

本发明的目的之二是制备出传统工艺制备SiC泡沫陶瓷所不具备的纳米晶骨架的新型SiC泡沫陶瓷。

本发明的无需烧结制备高气孔率纳米晶碳化硅(SiC)泡沫陶瓷的方法，是以工业用高纯硅粉和乙炔碳黑为原料，采用颗粒稳定泡沫技术和凝胶注模成型技术相结合制备Si-C泡沫，将制得的Si-C泡沫在燃烧合成反应釜中进行燃烧合成反应制备SiC泡沫陶瓷，以高纯氮气为Si-C泡沫燃烧合成的反应气氛。

本发明的无需烧结制备高气孔率纳米晶碳化硅泡沫陶瓷的方法包括以下步骤：

(1).混合物粉末：以硅粉的重量份为基准；将硅粉70～140重量份，乙炔碳黑30～60重量份，添加剂0～5重量份在振动球磨机上球磨(优选球磨时间为1～5小时)，使它们充分混合得到混合物粉末；

所述的添加剂选自NH₄F、NH₄Cl、(NH₄)₂CO₃所组成的组中的至少一种；

(2).配制预配液：以有机物单体的重量份为基准；将有机物单体5～20重量份，交联剂1～5重量份，分散剂1～4重量份，发泡剂1～10重量份，水64～92重量份进行混合，得到预配液；

所述的有机单体为丙烯酰胺(AM)；所述的交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)；所述的分散剂为四甲基氢氧化铵溶液(TMAH)；所述的发泡剂为辛胺或戊酸；

(3).进行发泡和凝胶：以步骤(1)得到的混合物粉末的重量份为基准；将100重量份步骤(2)得到的预配液装入搅拌器中搅拌，加入50～200重量份步骤(1)得到的混合物粉末，制成浆料；将此浆料搅拌发泡5～30分钟后，添加0.05～5重量份引发剂和0.05～1重量份催化剂后注入到无孔模具中并保持在温度为60～80℃恒温箱中，保温(优选保温时间为10～30分钟)引发凝胶反应制得Si-C湿泡沫凝胶，将此湿泡沫凝胶脱模后放入烘箱(优选烘箱的温度为90～110℃)中充分干燥制得Si-C泡沫；

所述的引发剂为质量比1∶1的过硫酸铵与乙酰丙酮的混合物；所述的催化剂为四甲基乙二胺；