一種基于模板制備多孔碳化硅陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于多孔碳化硅陶瓷制備方法，具體涉及一種采用模板制備多孔碳化硅陶瓷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔碳化硅陶瓷是一種內(nèi)部具有大量相通或閉合孔道結(jié)構(gòu)的新型陶瓷材料，因其具有低密度，高強(qiáng)度，比表面積大，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等性能而廣泛應(yīng)用到工業(yè)中，如熱氣體微粒過(guò)濾器，熔融金屬過(guò)濾器，催化劑載體，氣體燃燒介質(zhì)，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件等。
[0003]制備多孔SiC陶瓷的方法有很多，如燒結(jié)法，發(fā)泡法，粘結(jié)法，模板法等。為了更好地調(diào)控多孔SiC陶瓷的孔隙率，孔徑分布和孔隙形貌，模板法逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。模板法是指通過(guò)混合模板和SiC顆粒或者SiC有機(jī)前驅(qū)體，形成一種兩相混合的復(fù)合材料，然后除去模板再燒結(jié)得到多孔SiC陶瓷。文獻(xiàn)“S.H.Lee and Y.ff.Kim, Processing ofCellular SiC Ceramics Using Polymer Microbeads[J].J.Korean Ceram.Soc., 43, 458 -462 (2006).”中以SiC粉末為原料，以A1203-Y203為燒結(jié)助劑，以聚合物微球?yàn)槟０鍢?gòu)架，先將三種物質(zhì)混合均勻壓制成一定形狀，再熱處理該混合物燃燒除去聚合物微球，形成具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的素坯，最后燒結(jié)坯體得到所需的多孔SiC陶瓷材料。通過(guò)控制聚合物微球的含量和燒結(jié)的溫度，可以把多孔SiC陶瓷的氣孔率控制在16%?69%之間。該法制備的多孔SiC陶瓷孔隙均勻，且孔隙率為40%時(shí)，強(qiáng)度可達(dá)到40MPa，強(qiáng)度較高，但該法燒結(jié)溫度較高，溫度高于1700°C，不利于成本降低。文獻(xiàn)“Y.J.Jin and Y.ff.Kim, Low temperatureprocessing of highly porous silicon carbide ceramics with improved flexuralstrength [J], J.Mater.Sc1.，45，282 - 285(2010).” 中，以聚碳硅烷作為 SiC 先驅(qū)體，以聚合物微球?yàn)槟０鍢?gòu)架，以聚硅氧烷為粘結(jié)劑，混合均勻后在200°C下干燥，然后在1100?1400°C條件下進(jìn)行熱分解，最終得到多孔SiC陶瓷。該法得到的多孔陶瓷孔隙率的范圍在60%?90%之間，當(dāng)氣孔率為70%是也能達(dá)到30MPa，但該法還是存在燒結(jié)溫度較高的問(wèn)題。文南犬 “M.Fukushima, M.Nakata, Y.Zhou, T.0hji and Y.Yoshizawa, Fabricat1n andproperties of ultra highly porous silicon carbide by the gelat1n - freezingmethod [J].J.Eur.Ceram.Soc.，30，2889 - 2896(2010).”中，以凝膠，水和 SiC 顆粒為原料，采用凝膠冷凍干燥法制備出具有定向排列的高氣孔率的多孔SiC陶瓷。該法可以制備各種形狀的部件，且通過(guò)改變冷凍溫度可以把多孔陶瓷的孔隙直徑控制在34?147 μ m范圍內(nèi)，但該法也存在工藝復(fù)雜，燒結(jié)溫度較高的問(wèn)題。
[0004]化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposit1n，簡(jiǎn)稱CVD)技術(shù)最初是由表面工程的需要發(fā)展起來(lái)的。后來(lái)，人們引導(dǎo)氣體深入到多孔材料內(nèi)部沉積以達(dá)到使材料致密化的目的，進(jìn)而發(fā)展出化學(xué)氣相滲透技術(shù)(Chemical Vapor Inf iltrat1n，簡(jiǎn)稱CVI)。材料內(nèi)部致密化是陶瓷相的生成造成的，該種陶瓷相可以起到填充和粘結(jié)作用，并且，借助催化劑可以使SiC陶瓷相呈現(xiàn)為納米線的形態(tài)，可以極大地提升多孔陶瓷的比表面積，為制備具有較大比較面積和孔隙可控的多孔SiC陶瓷提供了可能性。CVI法具有制備溫度低，易于制備復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]為了解決多孔碳化硅陶瓷現(xiàn)有技術(shù)中存在的制備工藝較復(fù)雜，燒結(jié)溫度較高，等技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種采用模板，再在模板上沉積SiC陶瓷相，形成多孔碳化硅陶瓷，最后再在多孔陶瓷內(nèi)部生長(zhǎng)SiC納米線，進(jìn)而得到具有較大比表面積的多孔SiC陶瓷的方法。
[0007]技術(shù)方案
[0008]—種基于模板制備多孔碳化硅陶瓷的方法，其特征在于步驟如下:
[0009]步驟1:將按照設(shè)計(jì)要求加工的模板放入化學(xué)氣相滲透爐CVI爐，以MTS CH3SiCl3作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體進(jìn)行化學(xué)氣相滲透；在CVI過(guò)程中，生成的SiC陶瓷相覆蓋在模板上得到多孔SiC陶瓷；所述模板為泡沫鎳、泡沫碳或金屬泡沫模板；
[0010]步驟2、去除模板:當(dāng)模板為泡沫鎳或金屬泡沫模板時(shí)采用酸化方法去除模板，當(dāng)模板是泡沫碳時(shí)利用低溫氧化燃燒的方法去除模板，得到多孔SiC陶瓷。
[0011]在步驟2完成后，將得到的多孔SiC陶瓷再放入化學(xué)氣相滲透爐CVI爐，以MTSCH3SiCl3作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體沉積制備SiC納米線，以調(diào)節(jié)多孔陶瓷孔隙，提高多孔陶瓷的比表面積。
[0012]所述模板的孔隙率范圍為40%?90%。
[0013]所述步驟1中CVI過(guò)程中MTS: H2: Ar的比例為1: 5?15: 10?20。
[0014]所述步驟1中CVI過(guò)程中工藝參數(shù)為:總氣壓為0.5?5kPa，沉積溫度為900-1200 °C，沉積時(shí)間為10?200h。
[0015]所述步驟2中低溫氧化燃燒的燃燒溫度范圍為400?700°C。
[0016]所述制備SiC納米線時(shí)添加Fe、Co、Ni的氯化物或硝酸鹽的任意一種或多種組合為催化劑。
[0017]所述制備SiC納米線的工藝參數(shù)為總氣壓為0.5?5kPa，沉積溫度為800-1100 °C，沉積時(shí)間為1?10h。
[0018]所述制備SiC納米線時(shí)MTS: H2: Ar的比例為1: 5?20: 3?15。
[0019]有益效果
[0020]本發(fā)明提出的一種基于模板制備多孔碳化硅陶瓷的方法，創(chuàng)造性地將模板法的思想與CVI工藝的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，提出采用CVI法制備多孔SiC陶瓷，該法得到的多孔SiC陶瓷孔徑較為均勻，且孔隙率可控，材料具有很大的比表面積。該方法可解決其他模板法出現(xiàn)的制備工藝較復(fù)雜，燒結(jié)溫度較高等技術(shù)問(wèn)題，且該工藝易于制備復(fù)雜構(gòu)件，大大擴(kuò)展了該法制備的多孔SiC陶瓷的使用范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為該工藝的流程示意圖
[0022]圖2為以泡沫鎳為模板制備的多孔陶瓷的形貌
[0023]圖3為多孔陶瓷表面SiC納米線的放大圖
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例一
[0025]步驟1:原料準(zhǔn)備:模板采用泡沫鎳，氣孔率為40 %。
[0026]步驟2:將模板加工成指定形狀。
[0027]步驟3:將步驟2中得到的不同形狀的模板放入化學(xué)氣相滲透爐(CVI爐)進(jìn)行化學(xué)氣相滲透，在CVI過(guò)程中，生成的SiC陶瓷相逐漸覆蓋在模板上，當(dāng)生成的SiC陶瓷相達(dá)到一定程度時(shí)就可以形成具有一定強(qiáng)度的，孔隙率可控的多孔SiC陶瓷。CVI法生成SiC陶瓷相的工藝條件為:利用MTS(CH3SiCl3)作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體。MTS:H2:Ar的比例為1:12:10，總氣壓為5kPa，沉積溫度為1000°C，沉積時(shí)間為20ho
[0028]步驟4:去除模板。將得到的多孔SiC陶瓷酸化處理。
[0029]步驟5:沉積SiC納米線。在步驟4中得到的多孔陶瓷內(nèi)部沉積制備SiC納米線，進(jìn)一步調(diào)節(jié)多孔陶瓷孔隙，提高多孔陶瓷的比表面積。SiC納米線的沉積工藝是:利用MTS(CH3SiCl3)作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體。MTS:H2:Ar的比例為1:5 ~ 20:3 ~ 15，總氣壓為0.5?5kPa，沉積溫度為800-1100°C，沉積時(shí)間為1?10ho使用的催化劑為Fe、Co、Ni的氯化物或硝酸鹽的任意一種或多種組合。最后，可得到具有較大比表面積，且孔隙可控的多孔SiC陶瓷。
[0030]實(shí)施例二
[0031 ] 步驟1:原料準(zhǔn)備:模板采用泡沫鎳，氣孔率為60 %。
[0032]步驟2:將模板加工成指定形狀。
[0033]步驟3:將步驟2中得到的不同形狀的模板放入化學(xué)氣相滲透爐(CVI爐)進(jìn)行化學(xué)氣相滲透，在CVI過(guò)程中，生成的SiC陶瓷相逐漸覆蓋在模板上，當(dāng)生成的SiC陶瓷相達(dá)到一定程度時(shí)就可以形成具有一定強(qiáng)度的，孔隙率可控的多孔SiC陶瓷。CVI法生成SiC陶瓷相的工藝條件為:利用MTS(CH3SiCl3)作為先驅(qū)體，氫氣作為載氣和稀釋氣體，氬氣作為保護(hù)氣體。MTS:H2:Ar的比例為1:12:10，總氣壓為5kPa，沉積溫度為1000°C，沉積時(shí)間為50ho
[0034]步驟4:去除模板。將得到的多孔SiC陶瓷酸化處理。
[0035]步驟5:沉積SiC納米線。在步驟4中得到的多孔陶瓷內(nèi)部沉積制備SiC納米線，進(jìn)一步調(diào)節(jié)多孔陶瓷孔隙，提高多孔陶瓷的比表面積。Si