[发明专利]一种单向直通多孔碳化硅-硅陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单向多孔碳化硅-硅陶瓷材料的制备方法，属于陶瓷材料技术领域。

背景技术

多孔碳化硅陶瓷材料由于具有密度低、比表面积大、耐腐蚀、耐高温以及优异的抗氧化、抗热震性能等特点，使其在介质腐蚀性强、高温、高辐射等特殊环境中得到广泛应用。如用于高温过滤（如柴油和熔融金属过滤)、高温催化、催化剂载体、隔热隔声、气体分离和化学传感器等领域。

目前，制备多孔碳化硅陶瓷的方法主要有：直接颗粒堆积形成孔隙，添加有机物造孔剂、发泡剂，或者采用木材、高固碳含量的树脂经高温裂解形成多孔坯体、有机泡沫塑料作为模板，或者选用聚碳硅烷作为前躯体等。例如：中国专利（申请号：200610119233.9）报道了一种凝胶—冷冻—干燥工艺制备碳化硅多孔陶瓷的方法，该法所得多孔碳化硅陶瓷孔隙率较高，具有定向、互连的孔隙结构；缺点是工艺复杂，产品纯度不高；中国专利（申请号为200410067101.7）公开了一种低温烧结制备高耐火度网眼碳化硅陶瓷的制备方法，该专利利用MgO-Al₂O₃-SiO₂为烧结助剂，在1200~1400℃条件下烧结，得到了耐火度在1580~1730℃的网眼碳化硅陶瓷，该方法为液相烧结法，即引入一定数量的多元低共熔氧化物为烧结助剂，使其与碳化硅颗粒表面的SiO₂起反应，产生多元低共熔物，这些低共熔物分布在晶界，起连接作用。但在SiC晶界存在的低熔点成分是影响其高温力学性能的主要因素，因此，由液相烧结法制备的多孔碳化硅陶瓷材料的高温力学性能一般不佳，且使用温度低于1200℃。

此外，由于碳化硅的烧结性能差，现有的方法制备的多孔碳化硅陶瓷的力学性能较低，在制成的成品中气孔率达到50%时，抗压强度往往低于40MPa，严重限制了多孔碳化硅陶瓷的应用。鉴于此，改进制备多孔碳化硅陶瓷的方法，使之能够有效控制孔隙尺寸及孔隙率，并且能够制备出复杂形状、高性能的多孔碳化硅陶瓷，显得尤为必要。

发明内容

本发明为了解决现有方法制备的多孔碳化硅陶瓷力学性能低、孔隙率低的技术问题，提供了一种单向多孔碳化硅-硅陶瓷的制备方法。该制备方法制得的材料孔径在1~5μm，且孔径分布均匀；抗压强度大于40MPa。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种单向多孔碳化硅-硅陶瓷材料的制备方法，是以碳前驱体胶液和碳纤维为原料，将碳纤维缠绕在模具上，边缠绕边刷碳前驱体胶液，或采用单向编织布刷涂胶液，然后同向叠层，然后经交联固化、高温碳化制成碳纤维增强碳基体胚体，进而将加工后的碳纤维增强碳基体胚体与硅粉在高温条件下液相渗硅反应，制得碳-碳化硅-硅复合材料，而后将碳-碳化硅-硅复合材料氧化制得的产品。

该方法具体包括以下步骤：

（1）配制胶液：将碳前驱体溶解于乙醇中，配制成质量浓度为10~100%的胶液；

（2）缠绕碳纤维：将碳纤维缠绕在模具上，边缠绕边刷上步骤（1）配制的胶液，缠绕到一定厚度；或采用单向碳纤维编织布刷涂胶液后同向叠层到一定厚度坯体。

（3）胶液固化：将步骤（2）得到的碳纤维缠绕件或单向编织布叠层坯体置于炉体中，以0.1~10℃/min的升温速率升温至70~100℃，保温0.5~6h，使其缓慢固化；而后以0.1~10℃/min的升温速率继续升温至160~250℃，保温0.5~6h，使其完全交联固化，冷却至室温后得到碳纤维预制件；

（4）高温碳化：将步骤（3）得到的碳纤维预制件在惰性气氛保护下，以1~10℃/min的升温速率升温到1300~1700℃，保温时间为0.5~5h，进行碳化；而后冷却到室温，得到碳纤维增强碳基体胚体（C/C胚体）；

（5）渗硅反应：将步骤（4）得到的C/C胚体垂直于碳纤维方向切块，得到一定长度的胚体，并对其边沿进行修理；而后进行高温液相渗硅，制得碳-碳化硅-硅复合材料；

（6）氧化处理：将步骤（5）得到的碳-碳化硅-硅复合材料各个面进行打磨，将未反应的碳纤维暴露出来，而后将其置于炉体中，进行氧化处理，将剩余的碳氧化掉，经超声清洗后，形成通孔，即制得单向多孔碳化硅-硅陶瓷材料。

作为优选方案，在步骤（1）中所述碳前驱体是一种具有粘性的有机聚合物，该聚合物在室温下是液态或固态，可溶于乙醇，当温度升高时能交联固化，如：酚醛树脂、环氧树脂、沥青等；

步骤（2）中用于缠绕碳纤维的模具推荐为矩形、圆形或三角形，缠绕厚度推荐为0.5~50cm。