[发明专利]一种低热导的碳化锆包裹氧化锆陶瓷泡沫材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种低热导的碳化锆包裹氧化锆陶瓷泡沫材料及制备方法，制备方法包括：具有微米层级孔隙的氧化钇稳定的氧化锆多孔陶瓷坯体，经酚醛树脂真空浸渍后，获得陶瓷泡沫前驱体。随后，经过加热固化、高温焙烧以及原位碳热还原反应烧结后，得到碳化锆包裹氧化锆陶瓷泡沫材料。与现有技术相比，本发明提供了一种制备碳化锆包裹氧化锆陶瓷泡沫的方法，而且该方法显著降低碳化锆烧结致密化温度。该复合泡沫材料具有优异的力学性能和低的热导率。同时该方法能有效调控陶瓷的孔结构和力学性能，实现了较低的温度条件下制备低热导的碳化锆氧化锆复合陶瓷泡沫，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于隔热材料技术领域，涉及一种低热导的碳化锆包裹氧化锆陶瓷泡沫材料及其制备方法，具体涉及一种孔结构复制性好、孔壁致密、热导率低的碳化锆包裹氧化锆陶瓷泡沫材料以及一种原位碳热还原反应制备方法。

背景技术

多孔超高温陶瓷(Ultra High Temperature Ceramics,UHTCs)兼具多孔陶瓷和UHTCs的优点，如低容重、高比表面积、良好的化学和高温稳定性。这些独特的性能使多孔UHTCs在高温绝缘、高温熔融金属和腐蚀性气体的过滤、催化剂支撑和高温太阳吸收等方面具有广阔的应用前景。对于高温绝缘应用，导热系数应小于1.5W·m^-1·K^-1，抗压强度应大于1MPa。

碳化锆(ZrC)由于其优良的物理和化学性能，在各种应用领域都引起了广泛的关注。ZrC具有高熔点、理想的高比强度，这些特性使ZrC成为航空航天超高温应用(涉及温度超过1600℃)的一个有吸引力的候选材料。基于当前的航空航天发展趋势提出了对轻质隔热材料的需求。多孔陶瓷材料，如ZrC泡沫，可以兼顾重量、结构稳定性和低热导性能，使其在超高速飞行器中有许多潜在的应用，包括端头和翼前缘。这种材料的耐久性和重量优势可极大地节省火箭每磅有效载荷到轨道的成本。

当前针对ZrC的研究，主要集中在粉体的合成、烧结、致密化及块体材料的导热性能和力学性能等方面。对于碳化锆陶瓷泡沫的制备方法有模板法、直接发泡法、溶胶-凝胶法以及化学气相沉积法等，其中，模板法中常使用含碳材料的泡沫作为模板，经反应熔渗获得碳化锆泡沫。李飞等人[Li,Fei,Weichao Bao,De-Wei Ni,Xiao Huang,and Guo-JunZhang.A thermoset hybrid sol for the syntheses of zirconium carbide–siliconcarbide foam via replica method.Journal of Porous Materials.26,409-17(2018).]采用三聚氰胺泡沫作为模板溶胶浸渍得到ZrC/SiC复合泡沫，烧结温度为1500℃，该材料的孔隙率约为80％，压缩强度为0.4MPa，这种方法得到的ZrC泡沫的支柱和内壁不致密，导致力学性能比较差。李飞等人[Li,F.,Kang,Z.,Huang,X.,Wang,X.G.Zhang,G.J.Preparation of zirconium carbide foam by direct foamingmethod.J.Eur.Ceram.Soc.34,3513–3520(2014).]采用直接发泡法得到ZrC泡沫，烧结温度为1600℃，该材料的孔隙率为85％，压缩强度约为0.4MPa，在50℃下的热导率为0.96W/(mK)，此方法得到的ZrC泡沫力学性能仍然比较差。Jiang,J等人[Jiang,J.,Wang,S.,Li,W.Chen,Z.Fabrication and characterization of ZrC foam by meltinfiltration.J.Alloys Compd.695,2295–2300(2017).]采用反应熔渗法，烧结温度为1600℃，该材料的孔隙率为75.38％，压缩强度约为26.5±6.28MPa，在27℃下的热导率为40.411W/(m K)，此方法得到的ZrC泡沫虽然力学性能较好，但是室温下的热导率偏高。李飞等人[Li,Fei,Xin-Gang Wang,Xiao Huang,Ji-Xuan Liu,Weichao Bao,Guo-Jun Zhang,and Hongzhi Wang.Preparation of ZrC/SiC porous self-supporting monoliths viasol-gel process using polyethylene glycol as phase separationinducer.J.Eur.Ceram.Soc.38.4806-813(2018).]采用溶胶-凝胶法，以聚乙二醇(PEG)为相分离诱导剂得到ZrC/SiC泡沫，烧结温度在1300～1500℃，该材料的孔隙率约为70％，压缩强度为0.69MPa，此方法基于无机氯氧化锆的凝胶化和有机糠醇与聚乙二醇的聚合反应相结合的可调凝胶化和成孔，得到无裂缝的混合整体，但是在相对高的孔隙率下力学性能仍然较差。此外，专利CN201410477411.X公开了一种制备ZrC陶瓷泡沫的方法，该方法采用低温浸渗-高温反应两步法熔渗，具有优异的力学性能，其得到的材料是以五边形十二面体或开孔球形为基本单元相互连接而成。但该材料中所含的ZrC相的体积分数较低为10％，晶粒尺寸较大(微米级)且其工艺条件要求苛刻，烧结温度高，操作难度大，安全性低。专利CN202010065700.4采用直接发泡法制备了富ZrC相泡沫陶瓷，具有高的ZrC相质量百分比，工艺简单。但是该材料中的孔结构来自于自然发泡，并通过自然干燥的方式来固定气泡，容易使固液分布不均，导致陶瓷相分布不均。