CN102101785A - 一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102101785A CN102101785A CN 200910248558 CN200910248558A CN102101785A CN 102101785 A CN102101785 A CN 102101785A CN 200910248558 CN200910248558 CN 200910248558 CN 200910248558 A CN200910248558 A CN 200910248558A CN 102101785 A CN102101785 A CN 102101785A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon carbide
- foam
- yardstick
- ceramics
- preparation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Abstract
本发明涉及泡沫陶瓷领域，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。
Description
技术领域
本发明涉及泡沫陶瓷领域，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。
背景技术
在碳化硅泡沫陶瓷与金属(铝合金、铜合金)复合过程中，采用压铸工艺将熔融的铝合金(铜合金)压入碳化硅泡沫陶瓷的三维连通网络内，制备出铝基或铜基复合材料，作为轻装甲、摩擦制动闸片、散热基片等应用于防护、飞机和车辆制动和电子封装等领域，可以产生可观的经济效益和社会效益。
由于碳化硅泡沫陶瓷骨架与金属的膨胀系数存在较大的差异，金属在凝固收缩过程中，对陶瓷骨架产生拉应力，这一拉应力造成泡沫陶瓷骨架产生不同程度的裂纹和泡沫陶瓷骨架筋表面与金属界面结合的开裂，影响了泡沫陶瓷骨架对金属的整体增强作用的发挥，使碳化硅泡沫陶瓷复合材料的性能受到了影响，制约复合材料的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于提供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碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法，用该方法制备的双尺度碳化硅泡沫陶瓷可以改善泡沫陶瓷与金属的复合质量。
本发明的技术方案是：
一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料，碳化硅泡沫陶瓷具有三维连通网络结构，宏观上具有毫米级尺度相互连通的网孔，孔径范围为0.5～10mm；陶瓷骨架筋内部具有微米级尺度相互连通的网孔，孔径范围为5～100μm。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；网孔的体积分数为：5％-70％(所有网孔中，毫米级网孔占30～70％，其余为微米级网孔)；碳化硅平均晶粒尺寸在10nm-15μm。
本发明中，所有网孔的体积分数优选为10％-50％。 上述双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料的制备方法，以产碳率高的高分子材料、碳化硅粉、造孔剂、固化剂为原料，以聚胺脂泡沫为模板，制备过程如下：
(1)料浆配制
将高分子材料、碳化硅粉、造孔剂、固化剂和乙醇按一定比例混合，经机械搅拌后球磨，过滤，得料浆，所述料浆溶液为溶质总量的5-60％；
其中，高分子材料、碳化硅粉、造孔剂与固化剂之间重量比例为(100-140)∶(20-90)∶(5-80)∶(1-40)。
优选为，高分子材料、碳化硅粉、造孔剂与固化剂之间重量比例为100∶(20-60)∶(5-40)∶(2-8)。
(2)浸挂
将聚胺脂泡沫剪裁成所需形状和尺寸，均匀地浸入料浆中、拿出后挤去多余料浆、采用气吹或离心的方式除去多余料浆，加热半固化，重复多次，至达到所需要的体积分数，得到碳化硅泡沫陶瓷前驱体。
其中，半固化是在100-250℃温度下热固化，时间10分钟-2小时。
(3)热解
将碳化硅泡沫陶瓷前驱体在氩气、氮气或其它惰性气体的保护下热解，生成泡沫陶瓷碳骨架；其中，升温速率每分钟1-5℃，升温至800-1200℃，保温0.5-2小时。
(4)渗硅
将热解后的致密碳化硅泡沫碳骨架进行可控溶渗反应烧结(渗硅)，渗硅在保护气氛或真空条件下进行，升温速率为每分钟5-15℃，温度为：1500-2000℃，保温0.5-5小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。
(5)除去残余硅
将碳化硅泡沫陶瓷材料在真空条件下高温除去残余硅，升温速率为每分钟5-15℃，温度为：1800-2300℃，保温0.5-5小时，得双尺度碳化硅泡沫陶瓷材料。
本发明中，所述碳化硅粉可以选绿碳化硅微粉或黑碳化硅微粉，纯度为95wt％以上，粒度为10nm-100μm(优选为10nm-15μm)。
本发明中，所述造孔剂可以选硅粉或二氧化硅粉，纯度为95wt％以上，粒度分别为0.5-500μm(优选为0.5-100μm)和0.1-200μm(优选为0.1-100μm)。
本发明中，所述高分子材料可以选自环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂之一种或几种。
本发明中，所述的固化剂为对甲苯磺酸、乌洛脱品、草酸或柠檬酸等。
本发明中，双尺度碳化硅泡沫陶瓷制备工艺流程如图2所示，其工艺流程主要包括：陶瓷料浆配制(添加造孔剂)、浸挂、碳化硅泡沫陶瓷预制坯体成型、热解、机加工、反应烧结和高温抽硅处理。与致密碳化硅泡沫陶瓷制备工艺(中国发明专利：ZL03134039.3，一种高强度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制备方法)的不同之处在于，本发明增加了添加造孔剂和高温抽硅工艺。
多孔碳化硅泡沫陶瓷的制备关键是在骨架筋内部的造孔，利用硅粉造孔的方法，将造孔和反应烧结结合在一起，使多孔碳化硅泡沫陶瓷的制备工艺简单、孔径可控并降低了了制备成本。
多孔碳化硅泡沫陶瓷骨架筋内部的微孔的体积分数可以控制在10％-50％范围内；微孔的分布可以是：均匀分布、三明治结构、双层结构或梯度分布。实验结果表明：骨架筋内部的微孔均匀分布的多孔泡沫陶瓷制备工艺简单，质量稳定。
本发明具有如下有益效果：
1、改善复合质量、提高复合材料的性能
利用挤压铸造的方法将熔融金属压注到碳化硅泡沫陶瓷网孔内获得泡沫陶瓷/金属复合材料。在复合材料中，碳化硅泡沫陶瓷与金属的膨胀系数差异过大导致复合材料内部产生很大的内应力，是造成碳化硅泡沫陶瓷/金属复合材料中陶瓷筋上出现裂纹和陶瓷筋与金属界面开裂的根本原因。这两种缺陷都不利于碳化硅陶泡沫瓷骨架整体增强作用的发挥，降低了碳化硅泡沫陶瓷/金属复合材料的性能。因此，减少两个连续相材料之间的膨胀系数差距或改变膨胀系数造成的内应力的状态都有可能消除上述两种缺陷，从而提高碳化硅泡沫陶瓷/金属复合材料的性能。
例如：碳化硅泡沫陶瓷/铝双连续相复合材料的缺陷主要包括泡沫陶瓷筋裂纹和骨架与基体间的界面裂缝等两类，如图3所示。
将致密的碳化硅泡沫陶瓷改变为多孔的碳化硅泡沫陶瓷，利用挤压铸造，在将金属压入泡沫陶瓷网孔的同时，将金属引入泡沫陶瓷筋壁的微米级三维连通孔道内和筋的中心孔内，形成双尺度的三维双连续相复合材料结构。其中，由原泡沫陶瓷筋壁与金属构成的复合材料为微米级尺度的碳化硅/金属双连续相复合材料，该复合材料与原泡沫陶瓷网孔和陶瓷筋中心孔内填入的金属又进一步构成毫米级尺度的双连续相复合材料。换言之，由此方法获得的复合材料是由两个三维连续相构成。
双尺度碳化硅泡沫陶瓷与铝合金的复合。采用体积分数是20％、网孔尺寸是1.5mm的梯度过渡和空隙率均匀分布的双尺度碳化硅泡沫陶瓷，铝合金为LF5，熔融温度800℃，压铸压力120MPa，保压2min，泡沫陶瓷预热温度800℃。
由双尺度碳化硅泡沫陶瓷与LF5铝合金的复合材料的断口形貌(图4)可见，铝合金已经进入孔碳化硅泡沫陶瓷筋壁的微孔内，在复合材料内，碳化硅与铝合金即有毫米尺度同时有又有微米尺度交互存在，在界面处未见裂纹，表现了良好的复合效果。其原因在于：这样的结构改善了泡沫陶瓷骨架与铝合金膨胀系数的差异，降低了铝合金凝固时产生的热应力，消除了界面裂纹产生的原因，提高了泡沫陶瓷骨架对铝基体的整体增强效果。
2、不需要模具即可实现近终形成型，降低制备加工成本。这一点主要由两方面原因决定：第一，作为双尺度泡沫陶瓷的原始模板，聚氨脂泡沫塑料极易加工成任意形状；第二，通过向碳骨架中渗硅反应形成反应烧结碳化硅几乎是一个无变形率的过程。
3、双尺度的泡沫陶瓷孔径、空隙率易于控制。通过选择聚氨脂泡沫塑料孔径、造孔剂粒度的大小与含量和浸挂方式即可以实现对双尺度泡沫陶瓷尺度和结构的控制。
总之，本发明提出了一种新的、廉价的、制备双尺度泡沫状碳化硅陶瓷方法。在该方法中，选择合适的造孔剂、和浸挂方式可以获得孔隙尺寸和孔隙密度可控、孔隙结构可设计的双尺度泡沫状碳化硅陶瓷，达到改善复合质量、提高复合材料的性能的目的。这些特点，使双尺度碳化硅泡沫陶瓷得到更广泛的应用。
附图说明
图1为双尺度碳化硅泡沫陶瓷形貌。其中，(a)图为宏观上表现为毫米级孔径；(b)图为微观上表现为微米级连通孔径。
图2为双尺度碳化硅泡沫陶瓷制备工艺流程。
图3为双连续相复合材料中的两种缺陷。其中，(a)图为骨架筋内部裂纹(b)图为界面处裂纹。
图4为泡沫陶瓷与铝合金复合后筋断口形貌。其中，(a)图为梯度过渡形式的复合材料的断口形貌；(b)图为均匀分布的复合材料的断口形貌。
图5为不同含量硅粉泡沫陶瓷筋断口形貌。其中，(a)5wt％；(b)10wt％；(c)15wt％；(d)30wt％；(e)40wt％。
图6为不同结构的泡沫陶瓷筋断口形貌。其中，(a)三明治结构；(b)双层结构；(c)梯度结构。
图7为泡沫陶瓷与铝合金复合后筋断口形貌。其中，(a)图为(b)图陶瓷骨架筋断口的放大图。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。
实施例1
将碳化硅粉(1.5μm-10μm)、硅粉、环氧树脂、工业酒精按确定比例配制料浆。表1为含不同比例造孔剂(硅粉W5～8)的碳化硅陶瓷料浆的配比。
表1碳化硅陶瓷料浆的配比
分别按表1不同含量的造孔剂硅粉配制料浆，选孔径1.5mm的聚氨脂泡沫，将聚胺脂泡沫剪裁成所需形状和尺寸，均匀地浸入料浆中、拿出后挤去多余料浆、采用气吹或离心的方式除去多余料浆，加热半固化，重复多次，至体积分数20％，得到碳化硅泡沫陶瓷前驱体；其中，半固化是在150℃温度下热固化，时间30分钟；
在氩气保护下热解，生成碳骨架，其中升温速率每分钟2℃，升温至800℃，保温0.5小时。热解后，进行熔渗反应烧结，反应温度1750℃，升温速率为10℃/分钟，保温1小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。熔渗反应烧结后，再经过升温速率为10℃/分钟，1800℃保温1h的高温抽硅处理，即获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷。其中，高温抽硅处理的目的是去掉样品中的残余硅。
由泡沫陶瓷骨架断口形貌(图5)可以看：造孔剂硅粉在骨架筋壁中形成三维连通的微米孔洞。微孔的孔径与数量由造孔剂硅粉的混入量决定，较均匀地分布骨架的筋内部。随着料浆内添加的硅粉比例的增加，微孔的孔径和数量也增加。孔径的分散性也在增大，这是由于硅粉在料浆内出现了较为明显的团聚所致。
如图1所示，本实施例获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷，具有三维连通网络结构，(a)图为宏观上表现为毫米级孔径，孔径范围为1～3mm；(b)图为微观上表现为微米级连通孔径，孔径范围为5～50μm。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；本实施例中，网孔的体积分数为：20％，所有网孔中，毫米级网孔占60％，其余为微米级网孔；本实施例中，碳化硅平均晶粒尺寸在8μm。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
将碳化硅粉(200nm-500nm)、硅粉、酚醛树脂、工业酒精按确定比例配制料浆。表1为含不同比例造孔剂(硅粉W5-8)的碳化硅陶瓷料浆的配比。按表1中1#和4#配方配制料浆，选孔径1.5mm的聚氨脂泡沫浸挂料浆，按1#∶4#＝3∶1体积比例分别挂料浆至体积分数20％(先以1#配方挂料浆至体积分数15％，再以4#配方挂料浆至体积分数20％)。在氩气保护下热解，生成碳骨架，其中升温速率每分钟3℃，升温至800℃，保温0.5小时。热解后，进行熔渗反应烧结，反应温度1780℃，升温速率为10℃/分钟，保温1小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。熔渗反应烧结后，再经过升温速率为10℃/分钟，1850℃保温1h的高温抽硅处理即获得三明治结构的双尺度碳化硅泡沫陶瓷(图6)。
本实施例获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷，具有三维连通网络结构，宏观上表现为毫米级孔径，孔径范围为1～3mm；微观上表现为微米级连通孔径，孔径范围为5～50μm。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；本实施例中，网孔的体积分数为：20％，所有网孔中，毫米级网孔占60％，其余为微米级网孔；本实施例中，碳化硅平均晶粒尺寸在8μm。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
将碳化硅粉(10μm-15μm)、硅粉、酚醛树脂、工业酒精按确定比例配制料浆。表1为含不同比例造孔剂(硅粉W5～8)的碳化硅陶瓷料浆的配比。按表1中1#和5#配方配制料浆，选孔径1.5mm的聚氨脂泡沫浸挂料浆，先按5#配方挂料浆至体积分数10％，再按1#配方挂料浆至体积分数20％。在氩气保护下热解，生成碳骨架，其中升温速率每分钟3℃，升温至1000℃，保温0.5小时。热解后，进行熔渗反应烧结，反应温度1680℃，升温速率为5℃/分钟，保温1小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。熔渗反应烧结后，再经过升温速率为10℃/分钟，1900℃保温1h的高温抽硅处理，即获得双层结构的双尺度碳化硅泡沫陶瓷(图6)。
本实施例获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷，具有三维连通网络结构，宏观上表现为毫米级孔径，孔径范围为1～3mm；微观上表现为微米级连通孔径，孔径范围为10～30甲。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；本实施例中，网孔的体积分数为：20％，所有网孔中，毫米级网孔占70％，其余为微米级网孔；本实施例中，碳化硅平均晶粒尺寸在10μm。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
将碳化硅粉(5μm-15μm)、硅粉、酚醛树脂、工业酒精按确定比例配制料浆。表1为含不同比例造孔剂(硅粉W5-8)的碳化硅陶瓷料浆的配比。按表1中1#和4#配方配制料浆，选孔径1.5mm的聚氨脂泡沫浸挂料浆，按1#∶2#∶3#∶4#＝1∶1∶1∶1体积比例依次分别挂体积分数5％的料浆，使样品的总体积分数达到20％。在氩气保护下热解，生成碳骨架，其中升温速率每分钟5℃，升温至1200℃，保温0.5小时。热解后，进行熔渗反应烧结，反应温度1720℃，升温速率为8℃/分钟，保温1小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。熔渗反应烧结后，再经过升温速率为5℃/分钟，1900℃保温1h的高温抽硅处理，即获得梯度结构的双尺度碳化硅泡沫陶瓷(图6)。
由泡沫陶瓷骨架断口形貌(图6)可以看出：三明治结构、双层结构、梯度结构可以通过不同的料浆浸挂方式实现。硅粉作为造孔剂可以实现泡沫陶瓷骨架筋组织内部孔隙率大小和结构分布的可控。这种孔隙的存在可以使泡沫陶瓷和铝合金实现以不同结构的微米尺度复合。图7显示的是双尺度碳化硅泡沫陶瓷与ZL101铝合金复合材料的断口形貌。由此图可见，铝合金已经进入双尺度碳化硅泡沫陶瓷筋壁的微孔内，在复合材料内，碳化硅与铝合金同时具有毫米尺度和微米尺度的交互贯通，在界面处未见裂纹，表现了良好的复合效果。该结果证明，基于双尺度泡沫陶瓷骨架的复合结构，可以有效地削弱因泡沫陶瓷骨架与铝合金膨胀系数差异所造成的内应力，使其不能对复合材料界面和泡沫陶瓷产生不良影响，进而使泡沫陶瓷骨架对铝基体的整体增强效果得以充分发挥。
本实施例获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷，具有三维连通网络结构，宏观上表现为毫米级孔径，孔径范围为1～3mm；微观上表现为微米级连通孔径，孔径范围为5～30μm。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；本实施例中，网孔的体积分数为：5％，所有网孔中，毫米级网孔占50％，其余为微米级网孔；本实施例中，碳化硅平均晶粒尺寸在15μm。
实施例5
与实施例1不同之处在于：
将碳化硅粉(1μm-5μm)、二氧化硅粉、氨酚醛树脂、工业酒精按确定比例配制料浆。表2为含不同比例造孔剂(二氧化硅粉W10)的碳化硅陶瓷料浆的配比。
表2碳化硅陶瓷料浆的配比
按表2配制料浆，选孔径2.5mm的聚氨脂泡沫浸挂料浆至体积分数40％。在氩气保护下热解，生成碳骨架，其中升温速率每分钟2℃，升温至1200℃，保温0.5小时。热解后，进行熔渗反应烧结，反应温度1750℃，升温速率为10℃/分钟，保温1小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。熔渗反应烧结后，再经过升温速率为5℃/分钟，2000℃保温1h的高温抽硅处理，即获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷。其中，高温抽硅处理的目的是去掉样品中的残余硅。
本实施例获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷，具有三维连通网络结构，宏观上表现为毫米级孔径，孔径范围为2～3mm；微观上表现为微米级连通孔径，孔径范围为10～40μm。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；本实施例中，网孔的体积分数为：40％，所有网孔中，毫米级网孔占60％，其余为微米级网孔；本实施例中，碳化硅平均晶粒尺寸在3μm。
实施例6
与实施例1不同之处在于：
将碳化硅粉(30nm-50nm)、二氧化硅粉、氨酚醛树脂、工业酒精按确定比例配制料浆。表3为含不同比例造孔剂(二氧化硅粉W7)的碳化硅陶瓷料浆的配比。
表3碳化硅陶瓷料浆的配比
按表3配制料浆，选孔径2.5mm的聚氨脂泡沫浸挂料浆至体积分数30％。在氩气保护下热解，生成碳骨架，其中升温速率每分钟2℃，升温至1200℃，保温0.5小时。热解后，进行熔渗反应烧结，反应温度1650℃，升温速率为10℃/分钟，保温1小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。熔渗反应烧结后，再经过升温速率为5℃/分钟，2000℃保温1h的高温抽硅处理，即获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷。
本实施例获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷，具有三维连通网络结构，宏观上表现为毫米级孔径，孔径范围为2～3mm；微观上表现为微米级连通孔径，孔径范围为3～20μm。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；本实施例中，网孔的体积分数为：30％，所有网孔中，毫米级网孔占70％，其余为微米级网孔；本实施例中，碳化硅平均晶粒尺寸在50nm。
实施例7
与实施例1不同之处在于：
将碳化硅粉(0.3μm-0.5μm)、二氧化硅粉、氨酚醛树脂、工业酒精按确定比例配制料浆。表4为含不同比例造孔剂(二氧化硅粉W10)的碳化硅陶瓷料浆的配比。
表4碳化硅陶瓷料浆的配比
按表4配制料浆，选孔径3.5mm的聚氨脂泡沫浸挂料浆至体积分数40％。在氩气保护下热解，生成碳骨架，其中升温速率每分钟2℃，升温至1200℃，保温0.5小时。热解后，进行熔渗反应烧结，反应温度1730℃，升温速率为3℃/分钟，保温1小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。熔渗反应烧结后，再经过升温速率为15℃/分钟，1800℃保温0.5h的高温抽硅处理，即获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷。
本实施例获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷，具有三维连通网络结构，宏观上表现为毫米级孔径，孔径范围为3～4mm；微观上表现为微米级连通孔径，孔径范围为8～50μm。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；本实施例中，网孔的体积分数为：40％，所有网孔中，毫米级网孔占40％，其余为微米级网孔；本实施例中，碳化硅平均晶粒尺寸在0.5μm。
实施例8
与实施例1不同之处在于：
将碳化硅粉(6μm-8μm)、二氧化硅粉、环氧树脂、工业酒精按确定比例配制料浆。表5为含不同比例造孔剂(二氧化硅粉W10)的碳化硅陶瓷料浆的配比。
表5碳化硅陶瓷料浆的配比
按表5中1#和2#配方配制料浆，选孔径2.0mm的聚氨脂泡沫浸挂料浆，先按2#配方挂料浆至体积分数10％，再按1#配方挂料浆至体积分数20％。在氩气保护下热解，生成碳骨架，其中升温速率每分钟3℃，升温至1200℃，保温0.5小时。热解后，进行熔渗反应烧结，反应温度1780℃，升温速率为3℃/分钟，保温1小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料。熔渗反应烧结后，再经过升温速率为15℃/分钟，1900℃保温1h的高温抽硅处理，即获得双层结构的双尺度碳化硅泡沫陶瓷。
本实施例获得双尺度碳化硅泡沫陶瓷，具有三维连通网络结构，宏观上表现为毫米级孔径，孔径范围为1～3mm；微观上表现为微米级连通孔径，孔径范围为8～50μm。
其中，所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；本实施例中，网孔的体积分数为：20％，所有网孔中，毫米级网孔占50％，其余为微米级网孔；本实施例中，碳化硅平均晶粒尺寸在8μm。
实施例结果表明，本发明在泡沫陶瓷坯体成型的过程中，将碳化硅料浆内均匀混入定量的粒度一定的造孔剂，将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、改善泡沫骨架筋表面与金属界面复合质量、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。
Claims (7)
1.一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料，其特征在于：碳化硅泡沫陶瓷具有三维连通网络结构，宏观上具有毫米级尺度相互连通的网孔，孔径范围为0.5～10mm；陶瓷骨架筋内部具有微米级尺度相互连通的网孔，孔径范围为5～100μm。
2.按照权利要求1所述的双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料，其特征在于：所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；网孔的体积分数为：5％-70％；碳化硅平均晶粒尺寸在10nm-15μm。
3.按照权利要求1所述的双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料的制备方法，其特征在于，以产碳率高的高分子材料、碳化硅粉、造孔剂、固化剂为原料，以聚胺脂泡沫为模板，制备过程如下：
(1)料浆配制
将高分子材料、碳化硅粉、造孔剂、固化剂和乙醇混合，经机械搅拌后球磨，过滤，得料浆，所述料浆溶液为溶质总量的5-60％；
其中，高分子材料、碳化硅粉、造孔剂与固化剂之间重量比例为(100-140)∶(20-90)∶(5-80)∶(1-40)；
(2)浸挂
将聚胺脂泡沫剪裁成所需形状和尺寸，均匀地浸入料浆中、拿出后挤去多余料浆、采用气吹或离心的方式除去多余料浆，加热半固化，重复多次，至达到所需要的体积分数，得到碳化硅泡沫陶瓷前驱体；
其中，半固化是在100-250℃温度下热固化，时间10分钟-2小时；
(3)热解
将碳化硅泡沫陶瓷前驱体在氩气、氮气或其它惰性气体的保护下热解，生成泡沫陶瓷碳骨架；
其中，升温速率每分钟1-5℃，升温至800-1200℃，保温0.5-2小时；
(4)渗硅
将热解后的致密碳化硅泡沫碳骨架进行可控溶渗反应烧结渗硅，渗硅在保护气氛或真空条件下进行，升温速率为每分钟5-15℃，温度为：1500-2000℃，保温0.5-5小时，得碳化硅泡沫陶瓷材料；
(5)除去残余硅
将碳化硅泡沫陶瓷材料在真空条件下高温除去残余硅，升温速率为每分钟5-15℃，温度为：1800-2300℃，保温0.5-5小时，得双尺度碳化硅泡沫陶瓷材料。
4.按照权利要求3所述的双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述碳化硅粉选绿碳化硅微粉或黑碳化硅微粉，纯度为95wt％以上，粒度为10nm-100μm。
5.按照权利要求3所述的双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述造孔剂选硅粉或二氧化硅粉，纯度为95wt％以上，粒度分别为0.5-500μm和0.1-200μm。
6.按照权利要求3所述的双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述高分子材料选自环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂之一种或几种。
7.按照权利要求3所述的双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述的固化剂为对甲苯磺酸、乌洛脱品、草酸或柠檬酸。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200910248558 CN102101785B (zh) | 2009-12-18 | 2009-12-18 | 一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200910248558 CN102101785B (zh) | 2009-12-18 | 2009-12-18 | 一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102101785A true CN102101785A (zh) | 2011-06-22 |
| CN102101785B CN102101785B (zh) | 2013-03-13 |
Family
ID=44154875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 200910248558 Active CN102101785B (zh) | 2009-12-18 | 2009-12-18 | 一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102101785B (zh) |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102357652A (zh) * | 2011-08-30 | 2012-02-22 | 辽宁卓异新材料有限公司 | 多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料及其制备方法 |
| CN104235237A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-12-24 | 石家庄东大汇通新材料有限公司 | 一种公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法 |
| WO2017076163A1 (zh) * | 2015-11-06 | 2017-05-11 | 重庆润泽医药有限公司 | 一种多孔材料及制备方法 |
| CN107129318A (zh) * | 2016-02-29 | 2017-09-05 | 日本碍子株式会社 | 蜂窝结构体的制造方法 |
| CN107285800A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-10-24 | 苏州宏久航空防热材料科技有限公司 | 一种具有中空骨架的三维cvd碳化硅陶瓷泡沫材料 |
| CN107342172A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-11-10 | 辽宁卓异新材料有限公司 | 一种三维连通网络结构电极材料及其制备方法 |
| WO2018086522A1 (zh) * | 2016-11-09 | 2018-05-17 | 中国科学院金属研究所 | 一种中空泡沫材料及其制备方法和应用 |
| CN109745733A (zh) * | 2017-11-08 | 2019-05-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的微型萃取装置及其应用 |
| CN109745907A (zh) * | 2017-11-08 | 2019-05-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的流体分布器及其应用 |
| CN109745931A (zh) * | 2017-11-08 | 2019-05-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用 |
| CN110156490A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-08-23 | 南京航空航天大学 | 一种具有双层中空网状骨架的超轻三维SiC泡沫 |
| CN110387482A (zh) * | 2018-04-16 | 2019-10-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于反模泡沫材料的复合材料及其制备方法和应用 |
| CN110386827A (zh) * | 2018-04-16 | 2019-10-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种反模泡沫材料及其制备方法和应用 |
| CN109745862B (zh) * | 2017-11-08 | 2021-07-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的膜分离装置及其应用 |
| CN114226691A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-25 | 松山湖材料实验室 | 金属基陶瓷复合材料及其制备方法 |
| CN115724681A (zh) * | 2021-09-01 | 2023-03-03 | 中国科学院金属研究所 | 一种具有规则孔隙结构多孔碳化硅陶瓷的制备方法及应用 |
| CN116332668A (zh) * | 2022-12-06 | 2023-06-27 | 浙江同华陶铝新材料有限公司 | 一种低温烧结制备碳化硅泡沫材料的方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1224592C (zh) * | 2000-05-31 | 2005-10-26 | 中国科学院金属研究所 | 一种高强度碳化硅泡沫陶瓷的制备方法 |
-
2009
- 2009-12-18 CN CN 200910248558 patent/CN102101785B/zh active Active
Cited By (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102357652A (zh) * | 2011-08-30 | 2012-02-22 | 辽宁卓异新材料有限公司 | 多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料及其制备方法 |
| CN104235237A (zh) * | 2014-05-09 | 2014-12-24 | 石家庄东大汇通新材料有限公司 | 一种公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法 |
| WO2015169024A1 (zh) * | 2014-05-09 | 2015-11-12 | 房殊 | 一种金属/连续结构相陶瓷复合材料摩擦盘及其制作方法 |
| CN106536963A (zh) * | 2014-05-09 | 2017-03-22 | 房殊 | 一种金属/连续结构相陶瓷复合材料摩擦盘及其制作方法 |
| WO2017076163A1 (zh) * | 2015-11-06 | 2017-05-11 | 重庆润泽医药有限公司 | 一种多孔材料及制备方法 |
| US10822283B2 (en) | 2015-11-06 | 2020-11-03 | Chongqing Ruzer Pharmaceutical Co., Ltd. | Porous material and preparation method thereof |
| CN107129318A (zh) * | 2016-02-29 | 2017-09-05 | 日本碍子株式会社 | 蜂窝结构体的制造方法 |
| CN107129318B (zh) * | 2016-02-29 | 2021-03-09 | 日本碍子株式会社 | 蜂窝结构体的制造方法 |
| WO2018086522A1 (zh) * | 2016-11-09 | 2018-05-17 | 中国科学院金属研究所 | 一种中空泡沫材料及其制备方法和应用 |
| CN108069725A (zh) * | 2016-11-09 | 2018-05-25 | 中国科学院金属研究所 | 一种中空泡沫材料及其制备方法和应用 |
| CN107342172A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-11-10 | 辽宁卓异新材料有限公司 | 一种三维连通网络结构电极材料及其制备方法 |
| CN107285800A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-10-24 | 苏州宏久航空防热材料科技有限公司 | 一种具有中空骨架的三维cvd碳化硅陶瓷泡沫材料 |
| CN109745931A (zh) * | 2017-11-08 | 2019-05-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用 |
| CN109745907A (zh) * | 2017-11-08 | 2019-05-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的流体分布器及其应用 |
| CN109745733A (zh) * | 2017-11-08 | 2019-05-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的微型萃取装置及其应用 |
| CN109745931B (zh) * | 2017-11-08 | 2021-05-18 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用 |
| CN109745862B (zh) * | 2017-11-08 | 2021-07-23 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于中空泡沫材料的膜分离装置及其应用 |
| CN110387482A (zh) * | 2018-04-16 | 2019-10-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于反模泡沫材料的复合材料及其制备方法和应用 |
| CN110386827A (zh) * | 2018-04-16 | 2019-10-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种反模泡沫材料及其制备方法和应用 |
| CN110387482B (zh) * | 2018-04-16 | 2021-05-28 | 中国科学院金属研究所 | 一种基于反模泡沫材料的复合材料及其制备方法和应用 |
| CN110156490A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-08-23 | 南京航空航天大学 | 一种具有双层中空网状骨架的超轻三维SiC泡沫 |
| CN115724681A (zh) * | 2021-09-01 | 2023-03-03 | 中国科学院金属研究所 | 一种具有规则孔隙结构多孔碳化硅陶瓷的制备方法及应用 |
| CN115724681B (zh) * | 2021-09-01 | 2024-04-12 | 中国科学院金属研究所 | 一种具有规则孔隙结构多孔碳化硅陶瓷的制备方法及应用 |
| CN114226691A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-25 | 松山湖材料实验室 | 金属基陶瓷复合材料及其制备方法 |
| CN116332668A (zh) * | 2022-12-06 | 2023-06-27 | 浙江同华陶铝新材料有限公司 | 一种低温烧结制备碳化硅泡沫材料的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102101785B (zh) | 2013-03-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102101785B (zh) | 一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN100400473C (zh) | 一种高强高韧SiC/Al泡沫材料及其制备方法 | |
| CN102898141B (zh) | 一种高导热氮化铝陶瓷异形件的制备方法 | |
| CN1986491A (zh) | 一种高导热、高强高密的SiC/Cu复相泡沫材料及其制备方法 | |
| CN102962434B (zh) | 一种碳化硅/铜硅合金双连续相复合材料及其制备方法 | |
| CN111153706A (zh) | 一种石墨基碳化硅陶瓷复合隔热材料及其制备方法 | |
| CN103981392A (zh) | 一种高体积分数金刚石/金属基复合材料的制备方法 | |
| CN108002842B (zh) | 一种复杂形状多孔氮化硅件的制备方法 | |
| CN109095930A (zh) | 一种氮化硼泡沫材料及其制备方法 | |
| CN103602869A (zh) | 粉末冶金法制备高体分碳化硅铝基复合材料的工艺方法 | |
| WO2013123584A1 (en) | Highly filled particulate composite materials and methods and apparatus for making same | |
| US8048366B2 (en) | Process for making copper tungsten and copper molybdenum composite electronic packaging materials | |
| CN104658917B (zh) | 一种含高体积分数SiC的金属基复合电子封装件的制备方法 | |
| CN104445953A (zh) | 一种钙硼硅玻璃基低温共烧陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN108793911B (zh) | 一种利用发泡法制备镁质轻质骨料的方法 | |
| CN109095932A (zh) | 一种晶须增韧氮化硅泡沫材料及其无压烧结制备方法 | |
| CN113563088B (zh) | 多孔氮化硅陶瓷零件及其制造方法 | |
| CN113149698A (zh) | 一种具有良好溶解溃散性的氧化镁陶瓷型芯及其制备方法 | |
| JP2005146392A (ja) | 金属基複合材料およびその製造方法 | |
| CN109265148B (zh) | 一种透气砖用高性能陶瓷板的制备方法 | |
| CN102140600A (zh) | 一种铝硅电子封装材料及其制备方法 | |
| CN109721381A (zh) | 氮化硅壳体强化氮化硅泡沫陶瓷的制备方法 | |
| RU2261780C1 (ru) | Способ получения металлического композиционного материала и изделия из него | |
| CN105367060A (zh) | 一种高热稳定性的致密化碳化硅基陶瓷电路板基板材料及其制备方法 | |
| CN101244936B (zh) | 一种强化金属熔渗用注射成形SiC陶瓷预成形坯的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |