[发明专利]一种提高碳化硅泡沫陶瓷高温抗氧化性能的表面改性方法

说明书

技术领域：

本发明涉及泡沫陶瓷材料及材料表面改性领域，具体指一种用于提高碳化硅泡沫陶瓷高温抗氧化性能的表面改性方法。

背景技术：

作为一种新型功能材料，多孔陶瓷最佳地结合了多孔材料的高比表面和陶瓷材料的物理化学性能。在过去的几十年里，对于这类材料尤其是SiC泡沫陶瓷的研究越来越受到人们的关注，SiC泡沫陶瓷具有三维连通网络结构，内部孔隙率高且气孔相互连通(参见中国专利申请，申请号：03134039.3，发明名称：一种高强度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制备方法，公开号：CN 1600742A)。同时，与其他多孔陶瓷相比，SiC泡沫陶瓷除具有多孔陶瓷所具有的一般特性外，它还具有高温强度高、耐磨、耐各种酸碱腐蚀、高热导率、良好热震性、密度低、尺寸稳定性高等诸多优良特点。因此，SiC泡沫陶瓷的应用范围不断扩大，应用水平也在不断地提高。现在该类多孔陶瓷被广泛应用在热隔离设备、催化剂载体、电极、热交换器、高温烟气处理、多孔介质燃烧器、汽油及柴油发动机尾气净化器、熔融金属过滤器和微波吸收等方面。

但是，碳化硅是一种非氧化物陶瓷材料，在高温、氧化条件下，不可避免的带来氧化问题，虽然SiC的氧化产物SiO₂保护膜(氧在SiO₂中的扩散系数非常低)，可以阻止氧化的进一步发生，但是SiC的初期氧化产物为玻璃态的SiO₂，约在800-1140℃，SiO₂膜会因为晶化转变而发生体积变化，从而使得保护膜出现裂纹等缺陷，结构变得疏松，氧化保护作用大为下降；另外在活性氧化(如足够高的温度和较低的氧分压)等气氛下，SiC在氧化过程中生成挥发性的SiO，而不是致密的SiO₂膜；同时由于制备方法的不同，材料致密度、纯度也不相同，SiO₂氧化物保护膜中存在杂质元素，导致O在SiO₂膜中的扩散速度增加，这些因素都导致碳化硅泡沫材料因为氧化而造成使用性能下降，影响使用寿命。

目前对碳化硅陶瓷材料的抗高温氧化处理方法很多，如在碳化硅陶瓷材料中掺入氧化物成分，即形成硅酸盐结合的碳化硅材料；再有就是在碳化硅材料表面形成氧化物保护层，如锆石英、莫来石、尖晶石、PZS、氧化铝等体系，涂层制备方法有涂料法、溶胶-凝胶法、CVD、等离子喷涂等，研究表明这些方法都能够起到较好的保护效果，但这些方法制备的涂层存在开裂和致密度不高的问题，需要进一步解决。而且，目前文献及专利研究来说，上述方法针对的都是致密块体、纤维、晶须或者粉末等，对于三维连通的碳化硅泡沫陶瓷的抗氧化防护还没有相关报道，本发明所述的提高碳化硅泡沫陶瓷材料的抗高温氧化表面改性正是在这种情况下提出的，具有发展前景。

发明内容：

本发明的目的是提供一种提高碳化硅泡沫陶瓷高温抗氧化性能的表面改性方法，在碳化硅泡沫陶瓷表面形成一层致密的抗高温氧化改性层，该种全新的方法具有有效、适应性强、经济可靠的特点。

本发明的技术方案是：

碳化硅泡沫陶瓷在高温的氧化行为也可分为活性氧化和惰性氧化两种情况，惰性氧化为高温、富氧的条件，此种条件下SiC材料的氧化产物为SiO₂保护膜，氧在材料中的传递为氧在SiO₂中的扩散控制，氧化速度很低，但是SiC的初期氧化产物为玻璃态的SiO₂，约在800-1140℃，SiO₂膜会因为晶化转变而发生体积变化，从而使得保护膜出现裂纹等缺陷，结构变得疏松，氧化保护作用大为下降；而活性氧化(如足够高的温度和较低的氧分压)等气氛下，SiC在氧化过程中生成挥发性的SiO，而不是致密的SiO₂膜，起不到保护作用。

基于上面的原理，本发明提出，先将泡沫材料在完全的惰性氧化气氛下氧化，使得表面形成一层致密的SiO₂氧化层，并使该氧化层由无定形态转化为稳定的结晶态，控制加热过程的温度变化以防止SiO₂层发生裂纹等缺陷，就能起到良好的保护作用。

本发明提出的提高碳化硅泡沫陶瓷高温抗氧化表面改姓方法，具体包括如下步骤和工艺条件：

(1)在清洁的氧化气氛下，将碳化硅泡沫陶瓷在1150-1300℃下预氧化处理10-80小时，使得泡沫陶瓷的泡沫筋表面生成一层致密的SiO₂膜，氧化膜的厚度根据氧化保温时间、氧化气氛浓度调节，SiO₂膜厚度为5-30μm。