CN103553583B

CN103553583B - 一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料及其制备方法

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Publication number: CN103553583B
Application number: CN201310471566.8A
Authority: CN
Inventors: 鄢文; 陈俊峰; 李楠; 韩兵强; 魏耀武; 柯昌明
Original assignee: Wuhan University of Science and Technology WHUST
Current assignee: Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: CN103553583A

Abstract

本发明涉及一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料及其制备方法。其技术方案是：以60~80wt%的氢氧化铝细粉、14~18wt%的硅石细粉、1~3wt%的二氧化硅微粉、1~12wt%的硅粉、0.8~5wt%的碳粉和0.2~3wt%的碳酸镁细粉为原料，外加所述原料4~6wt%的硅溶胶，搅拌，成型，在110℃条件下保温12~36小时；然后在还原气氛下升温至1200~1250℃，保温1~3小时，再在还原气氛下将温度由1200~1250℃升温至1400~1500℃，保温3~8小时，即得多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。本发明工艺简单和环境友好，所制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料物相组成及形貌可控、气孔尺寸及体积含量可控、气孔率高、强度高、导热系数低、抗介质侵蚀能力强和高温性能好。

Description

一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于多孔陶瓷材料技术领域。尤其涉及一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

多孔陶瓷由于具有优异的性能，已广泛应用于催化剂载体、熔融金属过滤器、分离用薄膜、水净化器、生物陶瓷及隔热材料等。莫来石有着低的热膨胀系数、好的热震稳定性及优异的机械性能和化学稳定性；碳化硅具有高的机械强度、高硬耐磨和化学稳定性；同时，莫来石和碳化硅具有相近的热膨胀系数和良好的化学相容性；这使得多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷的发展越来越受到人们的重视。

关于多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料的研究目前已有一定的进展，但主要集中在以碳化硅为主晶相、以莫来石为结合相的材质上，如多孔莫来石结合碳化硅陶瓷（刘施峰，曾宇平，江东亮. 多孔碳化硅陶瓷的原位氧化反应制备及其性能.硅酸盐学报，2008，36（5）：597-601）是采用颗粒堆积成孔法，以特定粒度的碳化硅为骨料和以特定粒度的Al₂O₃为添加剂制备而成，但一方面，颗粒堆积成孔法不能制备高气孔率的材料，另一方面，特殊粒径会造成原料成本偏高；又如高强度硅酸盐结合SiC多孔复合材料（张丽.高强度硅酸盐结合SiC多孔复合材料的制备.硕士学位论文，武汉理工大学，2008）是采用碳化硅（d_0.5=37μm）、氢氧化铝（d_0.5=4.5μm）、红柱石、蓝晶石、硅灰和白炭黑为原料制备而成，由于氢氧化铝粒度很小（d_0.5=4.5μm）且含量很少（16.7wt%），容易反应烧结，对气孔体积的贡献非常小，故该方法仍以颗粒堆积成孔法为主，导致试样的气孔率很低（最高仅为31.5%），且同时存在特殊粒径会造成原料成本偏高的问题；又如“原位反应法制备莫来石结合的碳化硅多孔陶瓷”（ CN200510029152.5）专利技术，以石墨为造孔剂，制备了以碳化硅表面原位反应生成的莫来石为结合相的碳化硅多孔陶瓷，尽管获得了较高的气孔率，但石墨造孔剂燃烧后产生CO₂，造成了二次污染，不利于环境保护；再如增强碳化硅泡沫陶瓷（吉晓莉，徐飞，力国民等. 原位合成莫来石晶须增强碳化硅泡沫陶瓷.中国粉体技术，2011,17（3）：33-36）以碳化硅、氧化铝和高岭土为主要原料，采用有机泡沫浸渍法制备了碳化硅泡沫陶瓷坯体，但该方法制备工艺复杂，难以获得微孔级且孔径分布均匀的气孔结构。

综上所述，目前关于多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料的制备存在四个问题：（1）颗粒堆积造孔法制得的气孔率较低；（2）以特殊粒度材料为原料，增加了原料制作成本；（3）造孔剂燃烧产生气孔后，生成的CO₂会造成二次污染；（4）有机泡沫浸渍法或模板法工艺复杂，且难以获得微孔级且孔径分布均匀的气孔结构；（5）主要以碳化硅为主晶相、以莫来石为结合相，导热系数过高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种制备工艺简单的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料的制备方法，用该方法制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料不仅气孔率高、强度高、导热系数低、抗介质侵蚀能力强和高温性能好，且环境友好、物相组成及形貌可控、气孔尺寸及体积含量可控。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：以60~80wt%的氢氧化铝细粉、14~18%的硅石细粉、1~3wt%的二氧化硅微粉、1~12wt%的硅粉、0.8~5wt%的碳粉和0.2~3wt%的碳酸镁细粉为原料，外加所述原料4~6wt%的硅溶胶，搅拌均匀，机压成型，成型后的坯体在110℃条件下保温12~36小时；然后在还原气氛下升温至1200~1250℃，保温1~3小时，再在还原气氛下将温度由1200~1250℃升温至1400~1500℃，保温3~8小时，即得多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。

在上述技术方案中：

所述氢氧化铝细粉的Al(OH)₃含量大于98wt%，粒径小于88μm。

所述硅石细粉的SiO₂含量大于96wt%，粒径小于74mm。

所述二氧化硅微粉的SiO₂含量大于93wt%，粒径小于4μm。

所述硅粉的Si含量大于90wt%，粒径为3~100μm。

所述碳粉的C含量大于90wt%，粒径小于88μm。

所述碳酸镁细粉的MgCO₃含量大于97wt%，粒径小于88μm。

所述硅溶胶的浓度为20~40wt%。

所述机压成型的压力为30~100MPa。

由于采用上述技术方案，本发明利用原料自身分解原位产生微米级气孔，分解后的原料原位反应生成莫来石，形成了莫来石与气孔分布均匀的微孔结构，同时，在微孔中原位形成了分布均匀的碳化硅晶须，不仅增强了莫来石微孔结构的强度，而且堵塞了部分开口微孔，得到了多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。所制备的产品具有更佳的高温强度和抗介质侵蚀性能。

因此，本发明制备工艺简单和环境友好，所制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料物相组成及形貌可控、气孔尺寸及体积含量可控、气孔率高、导热系数低、强度高、抗介质侵蚀能力强和高温性能好。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式中的原料和硅溶胶统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述氢氧化铝细粉的Al(OH)₃含量大于98wt%，粒径小于88μm；

所述硅石细粉的SiO₂含量大于96wt%，粒径小于74mm；

所述二氧化硅微粉的SiO₂含量大于93wt%，粒径小于4μm；

所述硅粉的Si含量大于90wt%，粒径为3~100μm；

所述碳粉的C含量大于90wt%，粒径小于88μm；

所述碳酸镁细粉的MgCO₃含量大于97wt%，粒径小于88μm；

所述硅溶胶的浓度为20~40wt%。

实施例1

一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料及其制备方法：以75~80wt%的氢氧化铝细粉、15~18%的硅石细粉、1~2wt%的二氧化硅微粉、1~4wt%的硅粉、0.8~1.5wt%的碳粉和2.2~3wt%的碳酸镁细粉为原料，外加所述原料4~6wt%的硅溶胶，搅拌均匀，在30~60MPa压力下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下保温24~36小时；然后在还原气氛下升温至1200~1250℃，保温1~2小时，再在还原气氛下将温度由1200~1250℃升温至1400~1450℃，保温3~5小时，即得多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。

本实施例所制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料：显气孔率为50~65%；体积密度为1.36~1.65g/cm³；平均孔径为1~10μm；耐压强度为15~40 MPa。

实施例2

一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料及其制备方法：以70~75wt%的氢氧化铝细粉、14~16%的硅石细粉、1~2wt%的二氧化硅微粉、5~8wt%的硅粉、1.2~2.5wt%的碳粉和1.8~2.5wt%的碳酸镁细粉为原料，外加所述原料4~6wt%的硅溶胶，搅拌均匀，在50~80MPa压力下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下保温12~24小时；然后在还原气氛下升温至1200~1250℃，保温2~3小时，再在还原气氛下将温度由1200~1250℃升温至1450~1500℃，保温3~5小时，即得多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。

本实施例所制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料：显气孔率为45~55%；体积密度为1.50~1.89g/cm³；平均孔径为2~15μm；耐压强度为30~50 MPa。

实施例3

一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料及其制备方法：以65~70wt%的氢氧化铝细粉、14~16%的硅石细粉、2~3wt%的二氧化硅微粉、6~10wt%的硅粉、2.5~4.0wt%的碳粉和1.2~2.0wt%的碳酸镁细粉为原料，外加所述原料4~6wt%的硅溶胶，搅拌均匀，在40~70MPa压力下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下保温16~30小时；然后在还原气氛下升温至1200~1250℃，保温1~2小时，再在还原气氛下将温度由1200~1250℃升温至1400~1450℃，保温5~8小时，即得多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。

本实施例所制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料：显气孔率为48~60%；体积密度为1.40~1.83g/cm³；平均孔径为5~25μm；耐压强度为25~46 MPa。

实施例4

一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料及其制备方法：以60~65wt%的氢氧化铝细粉、14~18%的硅石细粉、1~3wt%的二氧化硅微粉、9~12wt%的硅粉、3.5~5.0wt%的碳粉和0.2~2.0wt%的碳酸镁细粉为原料，外加所述原料4~6wt%的硅溶胶，搅拌均匀，在60~100MPa压力下机压成型，成型后的坯体在110℃条件下保温24~36小时；然后在还原气氛下升温至1200~1250℃，保温1~2小时，再在还原气氛下将温度由1200~1250℃升温至1450~1500℃，保温4~8小时，即得多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。

本实施例所制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料：显气孔率为36~50%；体积密度为1.62~1.98g/cm³；平均孔径为5~30μm；耐压强度为40~80 MPa。

本具体实施方式利用原料自身分解原位产生微米级气孔，分解后的原料原位反应生成莫来石，形成了莫来石与气孔分布均匀的微孔结构，同时，在微孔中原位形成了分布均匀的碳化硅晶须，不仅增强了莫来石微孔结构的强度，而且堵塞了部分开口微孔，得到了多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。所制备的产品具有更佳的高温强度和抗介质侵蚀性能。

因此，本具体实施方式制备工艺简单和环境友好，所制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料物相组成及形貌可控、气孔尺寸及体积含量可控、气孔率高、导热系数低、强度高、抗介质侵蚀能力强和高温性能好。

Claims

1.一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于以60~80wt%的氢氧化铝细粉、14~18%的硅石细粉、1~3wt%的二氧化硅微粉、1~12wt%的硅粉、0.8~5wt%的碳粉和0.2~3wt%的碳酸镁细粉为原料，外加所述原料4~6wt%的硅溶胶，搅拌均匀，机压成型，成型后的坯体在110℃条件下保温12~36小时；然后在还原气氛下升温至1200~1250℃，保温1~3小时，再在还原气氛下将温度由1200~1250℃升温至1400~1500℃，保温3~8小时，即得多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料；

所述氢氧化铝细粉的Al(OH)₃含量大于98wt%，粒径小于88μm；

所述硅石细粉的SiO₂含量大于96wt%，粒径小于74μm；

所述二氧化硅微粉的SiO₂含量大于93wt%，粒径小于4μm；

所述硅粉的Si含量大于90wt%，粒径为3~100μm；

所述碳粉的C含量大于90wt%，粒径小于88μm；

所述碳酸镁细粉的MgCO₃含量大于97wt%，粒径小于88μm。

2.根据权利要求1所述的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述硅溶胶的浓度为20~40wt%。

3.根据权利要求1所述的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述机压成型的压力为30~100MPa。

4.一种多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料，其特征在于所述多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料是根据权利要求1~3项中任一项所述的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料的制备方法所制备的多孔莫来石-碳化硅复合陶瓷材料。