[发明专利]水热液相烧结(HLPS)的前体和输送方法

说明书

一种由多孔基质生产单片陶瓷体的方法，所述方法包括提供具有间隙空间的多孔基质，提供包含溶剂和至少一种反应性物质的渗透性介质，并且使用所述渗透性介质渗透所述多孔基质间隙空间的至少一部分。所述溶剂是不与所述多孔基质发生化学反应的惰性介质，并且当在所述多孔基质间隙空间部分中时其处于液相状态中。所述渗透性介质机械性对流通过所述多孔基质。所述至少一种反应性物质，当在所述多孔基质间隙空间的一部分中时，其与所述多孔基质的一部分反应以形成产物，并且所述产物填充所述间隙空间的至少一部分。

相关申请

本申请要求2012年10月1日提交的美国临时申请61/708,423号的优先权，其通过引用并入本申请。本申请中引用的所有参考文献均通过引用整体并入。

发明背景

已将此前已知的多种渗透方法用于生产多组分陶瓷或陶瓷复合材料。这些方法包括：(1)金属基质渗透、(2)熔融加工、(3)化学气相渗透(CVI)、(4)氮化、(5)化学键合陶瓷加工以及(6)陶瓷硬化渗透。

全部6种方法均可以用于渗透此前已成形的陶瓷颗粒状多孔基质或预成型坯(通常称为生坯)。然而，在各个方法开始时通常需要将这些方法中的初始纤维或预成型坯的孔隙度最小化以使得烧结产品的形状不会显著不同于初始预成型坯。

美国专利8,114,367和美国专利申请12/71,513描述了渗透介质在相对较低温度和较低压力下进行的，总称为水热液相烧结(HLPS)方法中对于形成键合的单片(monolithic)结构以及增加或降低所述单片体的密度的重要性。

在很多情况下，相以及组分微观结构均匀的陶瓷或陶瓷复合材料产品是理想的。在相对短时间范围进行HLPS反应同样是理想的，而非长时间范围内，例如在需要大厚度单片体用于各种应用(例如道路或桥梁)的情况下。因此，需要平衡HLPS方法的反应速率及质量输送。

例如，低温固化碳化技术是波特兰水泥技术的一种有希望的替代方法，因为其生产无水合物的水泥(HFC)。遗憾的是，这种固化方法需要在微观结构的每个区域中输送液态水和气态CO₂。一些原因使得这很麻烦。首先，较厚的微观结构可能会限制这些成分的输送。第二、较远区域的CO₂或水供应可能不足或是高代价的。第三、碳化程度较高的系统需要的CO₂的量较大。例如，每英里11-英寸厚30-ft宽的具有碳化约50％的10wt％HFC的路基需要282吨CO₂。这个量为约7-14卡车荷载的液体CO₂。因此，运输这样多的CO₂意味着可能存在与其运输相关的物流问题。对于水而言，该成分的主要问题是要确保该液体是均匀分布的并且部分填充孔体积，以使得气体扩散能够同时进行。对于较厚的路基而言，液体和气体输送必须同时满足。考虑到填充颗粒床的孔径和与气体相比流体实质上具有更高的粘度和密度，被填充的孔的渗透网络可能形成CO₂输送的屏障，从而抑制碳酸化过程，这是一个问题。

因此，前体(即，溶剂和反应性物质)的选择策略和引入包括渗透介质的前体的方法是至关重要的。

发明概述

在一个实施方式中，提供了一种由多孔基质生产单片陶瓷体的方法，所述方法包括：提供具有间隙空间的多孔基质；提供渗透性介质，所述渗透性介质包含溶剂和至少一种反应性物质，并且使用所述渗透性介质渗透所述多孔基质间隙空间的至少一部分。所述溶剂是不与所述多孔基质发生化学反应的惰性介质，并且当在所述多孔基质的间隙空间部分时所述溶剂处于液相状态。所述渗透性介质流过所述多孔基质。所述至少一种反应性物质，当在所述多孔基质间隙空间部分中时，与所述多孔基质的一部分反应以形成产物，并且所述产物填充所述间隙空间的至少一部分。