CN104193395B - 一种孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料科学与工程领域，具体涉及一种孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，包括有以下步骤：1)多孔碳化硅素胚的比例设计；2)多孔碳化硅陶瓷的素胚成型；3)多孔碳化硅陶瓷的烧制，得到所需要的多孔碳化硅陶瓷。本发明的有益效果在于：通过组成比例设计，即控制膨胀石墨、金属硅粉、有机粘接剂的比例，使反应产物主要为碳化硅；此外，控制三者混合后的密度，可实现多孔碳化硅陶瓷孔隙率的准确控制，可制备出孔隙在40％-80％之间可控的多孔碳化硅陶瓷制品，具有孔隙率可控，孔隙均匀的特点。

Description

一种孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法
技术领域
本发明属于材料科学与工程领域，具体涉及一种孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法。
背景技术
随着我国工业化进程的高速发展，工业产品产能、效率、品质都得到大幅的提升，但这些产业往往都会排放出有害烟气或者废水，对环境造成了巨大的危害。为了实现科学可持续地发展，需要对废气、废水进行处理。废气、废水处理过程中的关键技术是分离技术，而分离技术的关键是分离膜材料。由于多孔碳化硅无机陶瓷具有强度高、化学稳定好等特点，成为了环保领域分离膜材料发展的方向。
对于优质的无机陶瓷材料，在保证使用耐久性的前提下，如何提升分离效率，将是实现高效、节能的分离技术的关键。有研究表明，多孔陶瓷渗透率主要决定于气孔率。因此，在分离膜组件的结构参数设计过程中，不同结构陶瓷孔隙率的匹配优化设计显得尤为重要，而能够达到匹配优化设计目的的关键技术是能够实现多孔碳化硅陶瓷孔隙率可控的制备技术。
目前制备多孔碳化硅陶瓷，主要是采用碳化硅颗粒、造孔剂、有机粘结剂三者复合在高温下烧制而成，材料的孔隙率是由造孔剂的种类、掺量、分散效果，碳化硅颗粒的粒度、级配等多因素控制，制成的多孔碳化硅陶瓷材料孔隙率波动大，限制了多孔碳化硅陶瓷材料的应用和发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，该方法可制备出孔隙在40％-80％之间可控的多孔碳化硅陶瓷制品，具有孔隙率可控，孔隙均匀的特点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，包括有以下步骤：
1)多孔碳化硅素胚的比例设计
A、有机粘接剂残炭量测定，将选用的单位质量有机粘接剂置于1200℃高温下，使其充分碳化，计算前后质量变化，其差值为每单位质量残碳量X；
B、原材料的选取，各组分金属硅粉质量为MSi、膨胀石墨质量为MC、有机粘结剂质量为MX，按照MSi/28＝MC/12+X·MX/12，的比例关系选取备用；
C、多孔碳化硅素胚的混合，将膨胀石墨和有机粘结剂混合均匀后，再加入金属硅粉并混合均匀；
2)多孔碳化硅陶瓷的素胚成型
将混合均匀的膨胀石墨、有机粘结剂和金属硅粉放入模具中，施加压力，控制素胚成型体积，得到多孔碳化硅陶瓷的素胚；
3)多孔碳化硅陶瓷的烧制
将多孔碳化硅陶瓷的素胚放入高温炉中，抽真空或充入惰性气体，升温至到1800-2000℃，保温15-45分钟，自然冷却至室温，得到所需要的多孔碳化硅陶瓷。
按上述方案，素胚成型体积计算方法是：将膨胀石墨、有机粘结剂和金属硅粉的总质量记为M总，根据R设＝(1-ρ设/ρSiC)和V设＝M总/ρ设，求出在设计孔隙率和该总质量M总下，素胚成型应控制的体积V设；其中，设计孔隙率为R设，碳化硅的密度为ρSiC，素胚成型的密度为ρ设。
按上述方案，所述的有机粘接剂为任意仅含有C、H、O、N元素的粘结剂。
按上述方案，所述的金属硅粉平均粒径＜100μm，硅含量＞98％。
本发明采用膨胀石墨、金属硅粉、有机粘接剂为主要材料，进行混合制备多孔碳化硅陶瓷，其中膨胀石墨为主要的碳源，自生形成碳骨架；金属硅粉与体系中碳在高温下发生化学反应生成碳化硅；有机粘结剂将膨胀石墨、金属硅粉粘结为一个整体，且提供一定的强度，防止多孔碳化硅素胚变形，在高温烧结过程中，有机粘接剂碳化，并与金属硅粉反应生成碳化硅。在该体系中，通过组成比例设计，即控制碳化硅、金属硅粉、有机粘接剂的比例，使反应产物主要为碳化硅；此外，控制三者混合后的密度，可实现多孔碳化硅陶瓷孔隙率的准确控制。
具体原理为：(1)有机粘接剂由C、H、O、N组成，假设1g有机粘接剂完全碳化生成X(g)碳，体系中总共加入了MX(g)此种有机粘接剂，根据化学反应方程式：C+Si＝SiC，则金属硅粉质量(MSi)、膨胀石墨质量(MC)、有机粘结剂质量(MX)之间存在以下关系：MSi/28＝MC/12+X·MX/12，使反应产物主要为SiC组成。(2)由于膨胀石墨可以吸收硅与碳反应过程中的体积变形应力，化学反应前后体积变化不考虑，假设设计孔隙率为R设；碳化硅的密度为ρSiC；金属硅粉、膨胀石墨、有机粘结剂按照比例混合后总质量为M总，且完全生成了碳化硅；成型的密度为ρ设；则有R设＝(1-ρ设/ρSiC)·100％，其中R设、ρSiC为已知，可以求出ρ设，这样可知在膨胀石墨、有机粘结剂按照比例混合后总质量为M总条件下，成型应该控制的体积V设＝为M总/ρ设。通过以上两点可以达到多孔碳化硅陶瓷孔隙率的可控制备。
本发明的有益效果在于：通过组成比例设计，即控制膨胀石墨、金属硅粉、有机粘接剂的比例，使反应产物主要为碳化硅；此外，控制三者混合后的密度，可实现多孔碳化硅陶瓷孔隙率的准确控制，可制备出孔隙在40％-80％之间可控的多孔碳化硅陶瓷制品，具有孔隙率可控，孔隙均匀的特点。
附图说明
图1为本发明实施例1所得多孔碳化硅陶瓷的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本发明的限制。
实施例1：
1)多孔碳化硅素胚的比例设计
a有机粘接剂残炭量测定，将选用的10g聚氨酯置于1200℃高温下，使其充分碳化，测得残留物质量0.5g，即单位质量残碳量X为0.05g。
b原材料的选取，按照MSi/28＝MC/12+X·MX/12，的比例关系(金属硅粉质量为MSi、膨胀石墨质量为MC、有机粘结剂质量为MX)，选取有机粘结剂5g，金属硅粉质量840.58g，膨胀石墨360g。
c多孔碳化硅素胚的混合，将膨胀石墨和有机粘结剂混合均匀后，再加入金属硅粉并混合均匀。
2)多孔碳化硅陶瓷的素胚成型
a体积参数的计算，称取膨胀石墨、有机粘结剂、金属硅粉的总质量1205.58g，假定R设为40％，根据R设＝(1-ρ设/ρSiC)和V设＝M总/ρ设，其中ρSiC＝3.22g/cm3，M总＝1205.58g，求出在设计孔隙率下和该总质量下，成型应控制的体积V设＝624cm3。
b多孔碳化硅陶瓷的素胚成型，将混合均匀的膨胀石墨、有机粘结剂、金属硅粉放入模具中，并施加一定的压力，使体积为步骤a计算出的体积V设＝624cm3，得到多孔碳化硅陶瓷的素胚。
3)多孔碳化硅陶瓷的烧制
将素胚放入高温炉中，抽真空或充入惰性气体，升温至到1800-2000℃，保温15-45分钟，自然冷却至室温，得到所需要的多孔碳化硅陶瓷。
步骤(1)所述金属硅粉平均粒径25μm，硅含量99％。
经测试，本发明制得的多孔碳化硅陶瓷孔隙率实测为38.8％，与孔隙率设计值40％，仅相差1.2％，实现了多孔碳化硅陶瓷孔隙率可控制备。
实施例2：
(1)多孔碳化硅素胚的比例设计
a有机粘接剂残炭量测定，将选用的10g丙烯酸酯置于1200℃高温下，使其充分碳化，测得残留物质量0.5g，即单位质量残碳量X为0.05g。
b原材料的选取，按照MSi/28＝MC/12+X·MX/12，的比例关系，选取有机粘结剂10g，金属硅粉质量1681.17g，膨胀石墨720g。
c多孔碳化硅素胚的混合，将膨胀石墨和有机粘结剂混合均匀后，再加入金属硅粉并混合均匀。
(2)多孔碳化硅陶瓷的素胚成型
a体积参数的计算，称取膨胀石墨、有机粘结剂、金属硅粉的总质量2411.17g，假定R设为60％，根据R设＝(1-ρ设/ρSiC)和V设＝为M总/ρ设，其中ρSiC＝3.22g/cm3，M总＝2411.17g，求出在设计孔隙率下和该总质量下，成型应控制的体积V设＝1872cm3。
b多孔碳化硅陶瓷的素胚成型，将混合均匀的膨胀石墨、有机粘结剂、金属硅粉放入模具中，并施加一定的压力，使体积为步骤a计算出的体积V设＝1872cm3，得到多孔碳化硅陶瓷的素胚。
(3)多孔碳化硅陶瓷的烧制
将素胚放入高温炉中，抽真空或充入惰性气体，升温至到1800-2000℃，保温15-45分钟，自然冷却至室温，得到所需要的多孔碳化硅陶瓷。
步骤(1)所述金属硅粉平均粒径70μm，硅含量99％。
本发明制得的多孔碳化硅陶瓷孔隙率实测为61.8％，与孔隙率设计值60％，仅相差1.8％，实现了多孔碳化硅陶瓷孔隙率可控制备。
实施例3：
(1)多孔碳化硅素胚的比例设计
a有机粘接剂残炭量测定，将选用的10g环氧树脂置于1200℃高温下，使其充分碳化，测得残留物质量0.5g，即单位质量残碳量X为0.05g。
b原材料的选取，按照MSi/28＝MC/12+X·MX/12，的比例关系，选取有机粘结剂7g，金属硅粉质量1176.81g，膨胀石墨504g。
c多孔碳化硅素胚的混合，将膨胀石墨和有机粘结剂混合均匀后，再加入金属硅粉并混合均匀。
(2)多孔碳化硅陶瓷的素胚成型
a体积参数的计算，称取膨胀石墨、有机粘结剂、金属硅粉的总质量1687.81g，假定R设为80％，根据R设＝(1-ρ设/ρSiC)和V设＝为M总/ρ设，其中ρSiC＝3.22g/cm3，M总＝1687.81g，求出在设计孔隙率下和该总质量下，成型应控制的体积V设＝2621cm3。
b多孔碳化硅陶瓷的素胚成型，将混合均匀的膨胀石墨、有机粘结剂、金属硅粉放入模具中，并施加一定的压力，使体积为步骤a计算出的体积V设＝2621cm3，得到多孔碳化硅陶瓷的素胚。
(3)多孔碳化硅陶瓷的烧制
将素胚放入高温炉中，抽真空或充入惰性气体，升温至到1800-2000℃，保温15-45分钟，自然冷却至室温，得到所需要的多孔碳化硅陶瓷。
步骤(1)所述金属硅粉平均粒径60μm，硅含量99％。
本发明制得的多孔碳化硅陶瓷孔隙率实测为78.1％，与孔隙率设计值80％，仅相差1.9％，实现了多孔碳化硅陶瓷孔隙率可控制备。

Claims (4)

1.一种孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，包括有以下步骤：
1)多孔碳化硅素胚的比例设计
A、有机粘接剂残炭量测定，将选用的单位质量有机粘接剂置于1200℃高温下，使其充分碳化，计算前后质量变化，其差值为每单位质量残碳量X；
B、原材料的选取，各组分金属硅粉质量为MSi、膨胀石墨质量为MC、有机粘结剂质量为MX，按照MSi/28＝MC/12+X·MX/12，的比例关系选取备用；
C、多孔碳化硅素胚的混合，将膨胀石墨和有机粘结剂混合均匀后，再加入金属硅粉并混合均匀；
2)多孔碳化硅陶瓷的素胚成型
将混合均匀的膨胀石墨、有机粘结剂和金属硅粉放入模具中，施加压力，控制素胚成型体积，得到多孔碳化硅陶瓷的素胚；素胚成型体积计算方法是：将膨胀石墨、有机粘结剂和金属硅粉的总质量记为M总，根据R设＝(1-ρ设/ρSiC)和V设＝M总/ρ设，求出在设计孔隙率和该总质量M总下，素胚成型应控制的体积V设；其中，设计孔隙率为R设，碳化硅的密度为ρSiC，素胚成型的密度为ρ设；
3)多孔碳化硅陶瓷的烧制
将多孔碳化硅陶瓷的素胚放入高温炉中，抽真空或充入惰性气体，升温至到1800-2000℃，保温15-45分钟，自然冷却至室温，得到所需要的多孔碳化硅陶瓷。
2.根据权利要求1所述的孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于所述的有机粘接剂为任意仅含有C、H、O、N元素的粘结剂。
3.根据权利要求1所述的孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于所述的有机粘接剂为聚氨酯、环氧树脂或丙烯酸酯。
4.根据权利要求1所述的孔隙率可控的多孔碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于所述的金属硅粉平均粒径＜100μm，硅含量＞98％。
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