CN105347836B - 一种陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法，抽滤稳定的陶瓷纤维悬浊液得到具有自支撑结构的陶瓷纤维纸，将陶瓷纤维纸叠层得到一定厚度的层状纤维毡，在陶瓷纤维毡上制备陶瓷相基体，得到连接陶瓷纤维得到陶瓷纤维多孔燃烧介质材料。本发明的陶瓷纤维多孔燃烧介质材料的孔隙率较高，可以达到90％左右，反应气体通过时产生较小的气压降。结构小巧，形状灵活，方便在炉具中使用。由于该介质材料采用的是纤维骨架结构，大大降低了材料的比表面积，燃料气体在其中反应过程中的声震现象可以显著避免，提高其使用寿命。优异的高温强度和稳定性，不会在燃气环境下氧化，具有较长的使用寿命。

Description

一种陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法

技术领域

本发明属于纤维/陶瓷基复合材料的制备方法，具体涉及一种陶瓷纤维多孔燃烧介。质的制备方法。

背景技术

目前，工业生产中热值低于1000大卡的副产煤气，如高炉煤气，其中CO、H₂、C_nH_n等可燃成分较低，在燃烧过程中燃烧效率不高，不仅造成能源浪费，而且产生NO_x空气污染物。工业中常用的多孔介质预混燃烧方案，不仅可以扩大贫燃极限，提高燃烧速率和稳定性，而且可以使燃料充分燃烧，从而减少燃烧产物中氮化物和硫化物等空气污染物。中国发明专利CN201110428993.9“气体燃料多孔介质表面燃烧器”，提出将燃气和空气在多孔介质中扩散和混合，可以实现稳定燃烧，同时克服了预混燃烧容易回火,扩散燃烧火焰长和燃烧强度不高的缺点。中国发明专利CN201120535933.2提出一种适用于燃烧低热值气体的多孔介质表面燃烧器。中国发明专利CN201310015505.0提出一种基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置。

目前常用的介质材料有陶瓷泡沫,金属泡沫和金属纤维。中国发明专利CN201410657420.7提出一种双层多孔泡沫陶瓷板纯预混气体燃料燃烧器，通过由上至下依次设置大孔泡沫陶瓷板、小孔泡沫陶瓷板的方式提高燃烧器的加热效率和均匀性。中国发明专利CN200910055267.X提出了一种多孔陶瓷介质燃烧器材料的制备方法。陶瓷泡沫材料常采用氧化锆或碳化硅。由于陶瓷材料本身的脆性和使用过程中的热震、声震，易导致破碎，使用寿命短暂。多孔金属和金属纤维，如常用的高温合金或铁铬铝合金，结构小巧，形状灵活，因此广泛应用做燃烧介质材料。中国发明专利CN200610135085.X提出一种金属纤维-多孔陶瓷介质表面燃烧器，该装置可以有效防止低温回火,提高燃料与空气的调节范围，还可以在一定范围内提高燃烧温度。中国发明专利CN200610045687.6介绍了一种燃烧低热值气体的多孔金属介质燃烧器。金属材料由于其热导率较高，可以有效防止低温回火，但是在高功率燃烧时易发生高温回火；同时由于金属材料化学特性活泼，在高温水氧环境下易被腐蚀，使用寿命短暂。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法，克服现有燃烧介质中存在的使用寿命短暂、高温回火等问题。

技术方案

一种陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、制备稳定的陶瓷纤维悬浊液：将陶瓷纤维和聚合物溶液0.4g：400ml的比例分散均匀得到稳定的陶瓷纤维悬浊液；

步骤2、制备陶瓷纤维纸：抽滤陶瓷纤维悬浊液，得到具有自支撑效果的、纤维随机取向的单层陶瓷纤维纸；所述单层陶瓷纤维纸厚度为0.5-0.7mm；

步骤3、制备层状多孔纤维毡：将4-8层陶瓷纤维纸进行叠层，施加压力得到厚度为2～5mm的纤维毡，然后使用热固性粘结剂连接固化，得到陶瓷纤维毡预制体；

步骤4：在陶瓷纤维毡预制体骨架上采用化学气象沉积CVD方法或聚合物浸渗裂解PIP方法制备陶瓷相，用以连接步骤3制备得到的纤维毡预制体。

所述陶瓷纤维为：SiC纤维，莫来石纤维或堇青石纤维。

所述陶瓷纤维长度为4-50mm，直径为5-17μm。

所述聚合物溶液为：聚乙烯醇PVA溶液或羧甲基纤维素CMC。

有益效果

本发明提出的一种陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法，抽滤稳定的陶瓷纤维悬浊液得到具有自支撑结构的陶瓷纤维纸，将陶瓷纤维纸叠层得到一定厚度的层状纤维毡，在陶瓷纤维毡上制备陶瓷相基体，得到连接陶瓷纤维得到陶瓷纤维多孔燃烧介质材料。

有益效果：

1.陶瓷纤维多孔燃烧介质材料的孔隙率较高，可以达到90％左右，反应气体通过时产生较小的气压降。

2.陶瓷纤维多孔燃烧介质材料的厚度约为3mm，结构小巧，形状灵活，方便在炉具中使用。

3.由于该介质材料采用的是纤维骨架结构，大大降低了材料的比表面积，燃料气体在其中反应过程中的声震现象可以显著避免，提高其使用寿命。

4.陶瓷材料具有优异的高温强度和稳定性，不会在燃气环境下氧化，具有较长的使用寿命。

附图说明

图1：发明方法实施过程流程示意图

图2：陶瓷纤维多孔燃烧介质材料微结构照片。a,通过叠层得到的陶瓷纤维毡；b,陶瓷纤维相互搭接形成的骨架结构c,陶瓷纤维之间连接处微观结构；d,单根纤维的微观结构。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明技术方案如下：

制备均一稳定的纤维悬浊液。所选用的纤维一般为具有抗氧化性能的陶瓷纤维，如SiC纤维，莫来石纤维，堇青石纤维等，纤维长度在4-50mm之间，直径在5-17μm之间。所用的分散溶液需要有一定的粘度，可以选用聚乙烯醇(PVA)溶液，羧甲基纤维素(CMC)溶液等有机物溶液。将陶瓷纤维和一定量的表面活化剂加入到配制的溶液当中分散均匀，得到均一、稳定的陶瓷纤维悬浊液。

抽滤上述陶瓷纤维悬浊液得到具有自支撑结构的陶瓷纤维纸。根据悬浊液中纤维浓度，将一定体积的悬浊液抽滤得到厚度为0.5mm左右的陶瓷纤维纸并烘干。

将陶瓷纤维纸叠层，施加一定压力得到厚度为3mm左右的层状纤维毡。将5到7层短切纤维纸叠层，施加一定压力得到厚度为3mm左右的纤维毡，然后在较高温度下热处理1-2h，除去纤维表面的表面活化剂和聚合物，得陶瓷纤维毡预制体。

在陶瓷纤维毡预制体上制备陶瓷相基体。为了提高燃烧介质的抗热震和声震性能，可以在制备陶瓷相基体之前先在纤维表面制备一层界面层，厚度为200-700nm左右。界面层可以采用BN界面层，也可以选用其他抗氧化的界面层。然后继续制备陶瓷相基体，可以用化学气象沉积的方法制备具有抗氧化、耐腐蚀性能的陶瓷相，如SiC；也可以用PIP方法制备陶瓷连接相，把陶瓷前驱体浸渍到陶瓷纤维毡中，烘干固化后进行裂解，得到具有抗氧化、耐腐蚀性能的陶瓷相。

具体实施例如下：

实施例一：

选用长度在5mm-10mm之间的SiC短切纤维与浓度为0.2％的PVA溶液按照0.05g:150mL的比例混合，通过剥离搅拌方式混合均匀，得到均一、短时稳定的SiC短切纤维悬浊液。真空抽滤制得的SiC短切纤维悬浊液，得到具有自支撑效果的、纤维随机取向的单层SiC短切纤维纸。然后将得到的单层SiC短切纤维纸通过叠层方式得到SiC多孔纤维毡。将6层SiC纤维纸叠层，施加一定压力得到厚度为3mm的纤维毡，然后喷用定型胶固化，得SiC纤维毡预制体。再将SiC纤维毡放置于化学沉积(CVD)炉中，在750℃下，BCl₄和NH₃为反应气，按照1:3的比例通入反应室内，Ar气保护气下沉积500nm厚的BN界面层。沉积BN界面层的纤维毡，继续沉积SiC。SiCl₃CH₃(MTS)为反应气，H₂为载气和稀释气，反应沉积SiC，在SiC纤维毡表面沉积一层厚度为3μm的SiC壳层，得到SiC陶瓷纤维多孔燃烧介质材料。

实施例二：

选用长度在5mm-10mm之间的莫来石短切纤维与浓度为0.2％的CMC溶液按照0.05g:200mL的比例混合，通过剥离搅拌方式混合均匀，得到均一、短时稳定的莫来石短切纤维悬浊液。真空抽滤制得的SiC短切纤维悬浊液，得到具有自支撑效果的、纤维随机取向的单层莫来石短切纤维纸。将得到的单层莫来石短切纤维纸通过叠层方式得到莫来石多孔纤维毡。将5层莫来石纤维纸叠层，施加一定压力得到厚度为3mm的纤维毡，然后喷用定型胶固化，得莫来石纤维毡预制体。将莫来石纤维毡放置于化学沉积(CVD)炉中，在750℃下，BCl₄和NH₃为反应气，按照1:3的比例通入反应室内，Ar气保护气下沉积500nm厚的BN界面层。沉积BN界面层的莫来石纤维毡，继续使用PIP方法制备陶瓷连接相，把聚碳硅烷(PCS)前驱体浸渍到莫来石纤维毡中，烘干固化后进行裂解，在氮气气氛下，800℃左右PCS裂解得到SiC陶瓷相，得到叠层莫来石陶瓷纤维多孔燃烧介质材料。

Claims (1)

1.一种陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、制备稳定的陶瓷纤维悬浊液：将陶瓷纤维和聚合物溶液0.4g：400ml的比例分散均匀得到稳定的陶瓷纤维悬浊液；

步骤2、制备陶瓷纤维纸：抽滤陶瓷纤维悬浊液，得到具有自支撑效果的、纤维随机取向的单层陶瓷纤维纸；所述单层陶瓷纤维纸厚度为0.5-0.7mm；

步骤3、制备层状多孔纤维毡：将4-8层陶瓷纤维纸进行叠层，施加压力得到厚度为2～5mm的纤维毡，然后使用热固性粘结剂连接固化，得到陶瓷纤维毡预制体；

步骤4：在陶瓷纤维毡预制体骨架上采用化学气象沉积CVD方法或聚合物浸渗裂解PIP方法制备陶瓷相，用以连接步骤3制备得到的纤维毡预制体；

所述陶瓷纤维为：SiC纤维，莫来石纤维或堇青石纤维；所述陶瓷纤维长度为4-50mm，直径为5-17μm；所述聚合物溶液为：聚乙烯醇PVA溶液或羧甲基纤维素CMC。