[发明专利]一种耐高温的轻质高强多孔陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开的一种耐高温的轻质高强多孔陶瓷及其制备方法，属于多孔陶瓷制备技术领域，通过在陶瓷纳米线表面沉积一层碳化硅，碳化硅为一种高温稳定性十分出色的陶瓷材料，同时具有高强度和高硬度的特点，因此在陶瓷纳米线表面沉积一层碳化硅，使原本通过物理接触的陶瓷纳米纤维被沉积的碳化硅连接起来，有利于提高陶瓷纳米线的高温稳定性，实验验证该耐高温的轻质高强多孔陶瓷具有高的缺陷容忍性，可承受高达40％时的压缩应变，具有稳定的承载功能和较高的可靠性，且具备高气孔率、低密度、高强度、可加工的以及最高耐1600℃高温的特点，大大提高了多孔陶瓷的可靠性，适合可用于隔热防火、催化剂载体、高温过滤等领域。

技术领域

本发明属于多孔陶瓷制备技术领域，具体涉及一种耐高温的轻质高强多孔陶瓷及其制备方法。

背景技术

多孔陶瓷因兼具轻质、高比表面积、优异的化学和高温稳定性等特点，被广泛应用在隔热保温、过滤、吸附等领域。但由于材料的强度随着气孔率的增加而急剧下降，加上陶瓷存在天然的脆性问题，导致高气孔率陶瓷材料的力学可靠性低，可容忍的压缩变形量低，在实际运输或使用过程中容易破碎。传统的多孔陶瓷因孔径大(＞100μm)，导致其在高温下(＞1300℃)易发生严重的烧结收缩，结构不稳定。如Manabu Fukushim等人制备的气孔率达91％的多孔莫来石，其抗压强度仅为1.4MPa，天津大学的Ma等人制备的密度为0.33g/cm3的多孔莫来石骨架，其压缩强度为2.27MPa，且这些多孔陶瓷均对缺陷很敏感，呈现高的脆性。

此外，目前制备高气孔率陶瓷的主要方法如直接发泡法、牺牲模板法和冷冻干燥等方法虽然已趋于成熟，但所获得的高气孔率陶瓷强度偏低，这主要是因为这些方法所制备出的多孔陶瓷孔径大(＞100μm)，且原料易团聚。因此，如何以一种简单的方法实现多孔陶瓷在尽可能高的气孔率条件下，依然保持高的强度、高的损伤容忍性和优异的高温稳定性是决定多孔陶瓷在更广泛的领域得到实际应用的关键。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种耐高温的轻质高强多孔陶瓷及其制备方法，能够解决现有的多孔陶瓷材料强度低、可靠性低、多孔尺寸分布范围过大以及高温下稳定性不足的技术难题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种耐高温的轻质高强多孔陶瓷，由陶瓷纳米纤维相互粘结形成的多孔连续三维网络，且陶瓷纳米纤维之间形成不可转动的交联节点，交联节点为碳化硅，所述陶瓷纳米纤维的直径为0.1～3μm。

优选地，该耐高温的轻质高强多孔陶瓷的体积密度为0.1～0.5g/cm³，气孔率为84.3％～96.8％，平均孔径低于20μm。

优选地，该耐高温的轻质高强多孔陶瓷在空气中耐温性最高达到1600℃。

进一步优选地，该耐高温的轻质高强多孔陶瓷在1500℃及以下的高温环境中保温12小时后外形尺寸收缩率低于3％。

优选地，该耐高温的轻质高强多孔陶瓷的压缩强度为0.7～16.2Mpa，且具有高损伤容忍性，当承受40％的压缩应变时结构不会瞬间坍塌。

优选地，所述陶瓷纳米纤维采用具有三维多孔网络结构的陶瓷纳米线气凝胶。

进一步优选地，所述陶瓷纳米线气凝胶采用SiC纳米线气凝胶或Si₃N₄纳米带气凝胶。

本发明还公开了上述的耐高温的轻质高强多孔陶瓷的制备方法，包括：以陶瓷纳米纤维为原料，通过化学气相沉积法，在陶瓷纳米纤维表面沉积一层碳化硅，将相互接触或靠近的陶瓷纳米纤维连接在一起使陶瓷纳米纤维之间形成固定的节点；

其中，化学气相沉积的处理温度为1000℃～1300℃。

优选地，所述化学气相沉积法的具体操作条件为：