[发明专利]一种SiC泡沫及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种泡沫及其制备方法，特别是涉及一种SiC泡沫及其制备方法。

背景技术

以炭泡沫体和碳化硅泡沫为代表的炭基泡沫材料以其特有的轻质、高强度、耐高温和耐腐蚀的特点在航空、航天、舰船和国防领域具有重要的应用背景。对炭基泡沫材料的研究可以追溯到上世纪六十年代，主要采用聚合物树脂为原材料，经发泡和炭化获得，所制备的炭泡沫体材料脆性较大，长期以来一直是作为绝热装填材料进行研究和开发。

公开号为102101785A的中国发明专利涉及泡沫陶瓷领域，具体地说是一种既具有宏观尺度三维连通孔径又具有微米级三维连通孔径的双尺度泡沫陶瓷及其制备方法。碳化硅泡沫陶瓷具有三维连通网络结构；宏观上表现为毫米级孔径；陶瓷骨架筋内部表现为微米级相互连通的网孔。本发明在泡沫陶瓷坯体成型的过程中，在碳化硅料浆内均匀混入造孔剂，使碳化硅泡沫陶瓷制备成双尺度泡沫陶瓷，双尺度碳化硅泡沫陶瓷是一种同时具有宏观的毫米尺度孔径和骨架筋内部微米尺度孔径的三维连通网络泡沫陶瓷。作为陶瓷／金属双连续相复合材料的增强体，双尺度碳化硅泡沫陶瓷材料可以消除复合材料中泡沫骨架裂纹、改善复合质量、扩展复合材料在摩擦制动、装甲防护和电子封装等方面的应用。

公开号为103011887A的中国发明专利公开了一种碳化硅泡沫陶瓷，按重量份数计算，它的材料包括80～95份碳化硅微粉颗粒、5～20份聚碳硅烷粉末，40～170份有机溶剂；它的模板为聚氨酯海绵。本发明利用聚碳硅烷可溶于有机溶剂的特点，将它与陶瓷粉体制成有机溶剂浆料，采用粉末烧结法的原理，利用聚氨酯泡沫浸渍有机溶剂浆料，并通过热氧化处理以提高聚碳硅烷陶瓷产率，进而在惰性气氛下烧结制备出碳化硅泡沫陶瓷，该制备方法具有烧结温度低、效率高、产物纯度高的优势，有效地避免了传统碳化硅泡沫陶瓷制备工艺复杂、引入杂质多、烧结温度高的难题。

多孔泡沫材料是一种新型多功能材料，具有三维网络结构、孔隙率高、比表面积大、机械强度高和抗氧化性能优等特点，是脆性多孔陶瓷的理想替代材料，在各种高温催化载体、抗腐蚀催化剂载体、过滤器和热交换器等领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明旨在提供一种SiC泡沫及其制备方法。该SiC泡沫具有夹芯结构，由碳泡沫基底及附着于泡沫孔内壁的SiC薄膜和泡沫表面的SiC涂层所组成。由于碳泡沫的热导率为150W／m·k，SiC的热导率为120W／m·k，两者的热膨胀相近，SiC能很好地附着在碳泡沫基体上，有效提高碳泡沫的强度和抗氧化性能。

所述的碳泡沫基底是一种开孔结构的泡沫，内部呈现出三维网状结构，由大小不一的不规则孔洞交错连接而成，具有大的表面积，可填充固、液、气态的多种物质。

所述的SiC薄膜均匀附着在开孔碳泡沫的孔内壁，厚度为50nm～2μm。

所述的SiC涂层结合在泡沫表面，厚度为5～100μm，表面层可以是致密的，也可以是存在孔隙的疏松结构。

上述的SiC泡沫具有夹芯结构，芯部的孔隙率为70％～95％，孔径在200～2000μm之间。

一种SiC泡沫的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

(1)将聚氨酯泡沫热解，制作碳泡沫；

(2)制备SiC薄膜：将制得的碳泡沫放入CVI炉中，通入CH₃SiCl₃和H₂，控制温度和时间，在碳泡沫的开孔内壁附着一定厚度的SiC薄膜；

(3)表面SiC涂层的制备：从CVI炉中取出泡沫硅，放入CVD炉中：以三氯甲基硅烷(CH₃SiCl₃，MTS)为先驱体原料、H₂作载气和稀释气体，采用质量流量控制器控制气体流量为60～120mL／min，通过鼓泡法把MTS带入反应室，沉积温度为1050～1200℃，压力为常压，时间为40～100h；

(4)沉积结束后冷却取出，即得到一种SiC泡沫。

根据上述的制备方法，碳泡沫是通过聚氨酯泡沫加热碳化得到，具体的工艺过程分两步进行：先在空气中、200～255℃下将聚氨酯泡沫加热；接着在惰性气氛中、700～900℃下碳化。

本发明的主要优点是：①制得SiC泡沫质量轻，抗氧化，具有较高的韧性和刚度，介电常数高、比表面积大、抗化学性能优良、能在恶劣的环境下长时间使用；②泡沫结构的制备不需要复杂的工艺和设备，降低成本；③开孔的泡沫结构可填充多种功能材料，有效提高反应速率和效果；④采用CVI、CVD的制备方法，薄膜均匀，与基体结合紧密。