[发明专利]一种制备高度定向贯通型多孔SiC陶瓷材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备高度定向贯通型多孔SiC陶瓷材料的方法。特别涉及一种以低分子液态聚碳硅烷为先驱体，碳纤维预制件为骨架，采用化学液气相沉积及高温氧化处理工艺制备高度定向贯通型多孔SiC陶瓷材料的方法。

背景技术

多孔SiC陶瓷由于具有低密度、高强度、抗腐蚀、耐高温等性能，可以作为高温气体净化器、柴油机尾气处理器、传感器、热交换器和催化剂载体而应用于冶金、化工、生物、能源等多个领域。其中用作过滤器、催化剂载体等方面的多孔SiC陶瓷需要具有长程有序的定向贯通的孔隙结构，以减小沿孔隙方向传输的阻力。

传统的制备多孔SiC陶瓷制备方法主要有造孔剂法、发泡法、模板法等。造孔剂法是通过在陶瓷配料中添加造孔剂，如碳粉、淀粉等，利用这些造孔剂在高温下燃尽或挥发而在陶瓷体中留下孔隙来制备多孔陶瓷，其工艺与普通陶瓷工艺相似。如张劲松等（碳粉为造孔剂的多孔生物陶瓷的制备及性能研究，中国陶瓷，2008，44(8)：23-26）以碳粉为造孔剂，以天然羟基磷灰石粉末为陶瓷主料，以聚乙烯醇为粘结剂制备了多孔陶瓷，其孔径分布在5~100微米，碳粉造孔的长度为70~100微米，并出现了一定的贯通孔结构。但是该方法制得的陶瓷孔隙形状不规则，通孔的长度短，孔径分布宽，难以保证孔径的均匀性，并且在烧结的过程中容易形成闭孔。发泡法是通过向陶瓷组分中添加有机、无机化学物质作为发泡剂,在加热处理时形成挥发性气体，产生泡沫，经干燥和烧成后制得多孔陶瓷。如杨彬等（发泡-淀粉固结法制备多孔碳化硅陶瓷，现代技术陶瓷，2009，(1)：3-5）利用表面活性剂发泡，结合淀粉固结成型工艺，制备了多孔碳化硅陶瓷，获得了三种不同孔径的孔隙，气孔的孔径分为1微米、10微米和100微米。但此方法所制得的孔隙绝大多数为闭孔孔隙，且孔径难以精确控制。模板法是用具有三维开孔结构的有机或无机网眼预制体作为模板，然后在模板上涂覆陶瓷浆料或陶瓷先驱体浆料，采用烧结或侵蚀的方法除去模板，得到多孔陶瓷。如王浩等（三维有序多孔SiC陶瓷的制备及表征，中国科学E辑技术科学，2006，36(3)：259-269）以三维有序氧化硅凝胶小球为模板，以聚甲基硅烷（PMS）为先驱体，经过先驱体的渗入、陶瓷转化和模板的去除，制得长程三维有序球形孔多孔SiC陶瓷。其制得的多孔陶瓷中存在三种孔，即球形孔、“窗口”和小孔，其中球形孔的孔径为65~660nm，“窗口”和小孔孔径为2~5nm。此种方法在制备三维网状或者蜂窝状多孔陶瓷时有优势，但是受网眼预制体的限制，所制得的孔隙是以“窗口”或者小孔的形式形成的贯通结构，故其孔隙的贯通性不佳。

上述传统的制备多孔SiC的方法受其工艺限制，难以制备长程有序定向贯通的多孔SiC陶瓷材料。近来出现了一种采用冷冻铸模工艺（Freeze-Casting of Porous Ceramics: A Review of Current Achievements and Issues, Advanced Engineering Meterials, 2008, 10(3):155-158）制备定向通孔陶瓷材料的方法。冷冻铸模的工艺是将陶瓷浆料在低于液体介质的凝固温度条件下铸模、冷冻，使得液体介质单向凝固生长，再在低压下进行干燥处理，使液体介质直接升华排出，形成定向排布的孔隙结构，经高温烧结得到定向多孔陶瓷。李利娟等（定向凝固和冷冻干燥制备定向多孔陶瓷，中国陶瓷，2009，45（12）：57-60）用此种方法制备了各向异性的定向孔隙结构多孔陶瓷，但其气孔形状不规则，孔隙排列较混乱。汪长安等人（中国专利CN101597177A）采用改进的冷冻铸模工艺制备出无树枝状分叉结构的定向管状通孔多孔陶瓷，但其孔径大小不固定且通孔长度短，仅为2微米~2毫米。此外，高积强等（中国专利CN101323524A）采用重结晶的方法，通过对烧结过程中碳化硅的分解及重结晶的控制，来实现定向排列孔的重结晶碳化硅多孔陶瓷的制备。但此法制备温度高，在1900~2500℃之间，能量消耗大，且其获得的多孔陶瓷孔隙的孔径难以控制，形成的孔隙在长度方向上形状不规则，孔隙内壁也不光滑。

因此，现有的制备定向贯通型多孔SiC陶瓷材料的方法存在孔径的可控性差，孔隙的定向性和连续性不好，孔隙形状难以保持一致及孔隙的长径比小等不足。

发明内容