[发明专利]高强度莫来石结合碳化硅多孔陶瓷材料的制备方法

说明书

本公开提供了一种高强度莫来石结合碳化硅多孔陶瓷材料的制备方法，包括步骤：步骤一，将基体原料加入球磨罐中，再加入分散剂水溶液、球磨介质，进行一次磨球，再加入粘结剂溶液，继续二次球磨，得到浆料；步骤二，将步骤一所得到的浆料倒入容器中，放入冷冻干燥器机进行干燥脱水，得到固体物；步骤三，将步骤二得到的粉体造粒，然后过筛；步骤四，将步骤三得到的筛下物利用模具干压成型，得到生坯；步骤五，将步骤四得到的生坯进行真空干燥；步骤六，将步骤五真空干燥后的生坯在空气气氛中进行常压烧结。所获得的高强度莫来石结合碳化硅多孔陶瓷材料不含方石英相、抗弯曲强度高。

技术领域

本公开涉及陶瓷材料领域，具体涉及一种高强度莫来石结合碳化硅多孔陶瓷材料的制备方法。

背景技术

多孔碳化硅陶瓷材料，具有高孔隙率、高比表面积、优异的力学性能、稳定的化学性能、较高的导热率以及较低的热膨胀系数等性质，已经被大量研究证明其在催化剂载体材料方面具有巨大的应用价值。然而，目前多孔碳化硅陶瓷的制备工艺较为复杂且成本较高，因而限制了该材料的应用。

多孔碳化硅陶瓷的致密化难度较高：由于碳化硅中的Si-C键是键能极强的共价键，国内外关于多孔碳化硅材料的报道中，通常需要在较高温度下实现其坯体的致密化，同时为了避免高温下碳化硅在烧结过程中的氧化反应，烧结通常在保护气氛中进行。例如，上海硅酸盐研究所Zeng等利用硼-碳固相助烧制备的多孔碳化硅陶瓷(https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.12.061,Fabrication of porous SiC ceramics through amodified gelcasting and solid state sintering)，以2050℃作为烧结温度，以氩气为保护气氛，制备的多孔碳化硅陶瓷在孔隙率为34.2～48.1％的情况下，试样抗弯曲强度为61～128MPa。

莫来石结合法作为一种致密化机理，利用碳化硅陶瓷的氧化生成的氧化硅与氧化铝反应，在碳化硅颗粒间生成莫来石相，完成颗粒间接触部分的相互结合，进而实现坯体的致密化。这种方法使得烧结过程无需在保护气氛中进行，同时大大降低了坯体的致密化温度，可以有效降低多孔碳化硅陶瓷的生产成本。然而，相比于多孔碳化硅陶瓷的其他致密化工艺，如固相烧结、液相烧结、等离子烧结以及反应结合法，通过莫来石结合法制备的多孔碳化硅陶瓷力学性能相对较低：2006年5月10日公布的中国专利CN1769241A公开了一种“原位反应法制备莫来石结合的碳化硅多孔陶瓷”，以1450℃作为烧结温度，在空气通过无压烧结制备得到了氧化相结合多孔碳化硅陶瓷，其结合相主要成分为大量的方石英相与少量的莫来石相。然而产品在开孔隙率为50％的情况下，抗弯曲强度仅能达到10MPa左右。这是因为方石英相的力学性能相对较低，且与碳化硅的性能匹配程度较差，大大降低了试样的力学性能。此外，2019年，清华大学Wang等通过该工艺制备的多孔碳化硅陶瓷，在孔隙率为37％的情况下，试样的抗弯曲强度为22MPa(Influence of bonding phases onproperties of in-situ bonded porous SiC membrane supports,https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.12.082)；海南大学Deng等通过对该工艺的烧结助剂进行优化，在孔隙率为36.3％的情况下，式样的抗弯曲强度达到了37MPa(Effect of V₂O₅ additionon the properties of reaction-bonded porous SiC ceramics,https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.08.016)；蒙特利尔综合理工大学Chaouki等将该工艺与凝胶-溶胶法结合，在孔隙率38.7％的情况下，试样的抗弯曲强度达到41MPa(ManufacturingProcess for in Situ Reaction-Bonded Porous SiC Ceramics Using a Combinationof Graft Polymerization and Sol-Gel Approaches,https://doi.org/10.1021/ie500214e)。可见，在莫来石结合多孔碳化硅陶瓷领域，目前国内先进水平为：试样在孔隙率大于35％的情况下，试样的抗弯曲性能最高可以达到37MPa，国际先进水平可以在孔隙率超过35％的情况下，试样抗弯曲强度达到41MPa。相比于其他致密化工艺，莫来石结合多孔碳化硅陶瓷的力学性能仍有待提升。