CN107324828B - 一种SiCf/SiC陶瓷基复合过滤管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管及其制备方法，其特征在于，所述的SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管包括管状SiC纤维三维织物预制体，SiC基体，(SiC/PyC)n界面层，SiC基体附着于SiC纤维表面，(SiC/PyC)n界面层介于SiC基体和SiC纤维之间，管壁从内到外，SiC基体厚度呈梯度分布。三维织物预制体管壁厚度为5~10mm，体积分数为50%~65%。SiC基体厚度为30~100μm。(SiC/PyC)n界面层厚度为300nm~2μm。采用化学气相渗积法一体化成型得到SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管。本发明具有的优点：1、连续纤维增强陶瓷基复合结构较纯陶瓷结构可靠性提高；2、复合过滤管韧性提高，断裂韧性和高温强度高，耐腐蚀；3、化学气相渗积工艺制备界面层和基体结构稳定，且制备温度低，减少对纤维损伤。

Description

一种SiCf/SiC陶瓷基复合过滤管及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合过滤管及其制备方法，特别涉及一种SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管及其制备方法。
背景技术
我国目前大部分地区雾霾污染十分严重，人民生活深受雾霾危害，目前对于雾霾的治理难以彻底，除霾方式有限，且效果甚微，治标不治本的方式难以将我国现阶段存在的雾霾污染问题彻底解决。除霾要从源头治理抓起，雾霾的罪魁祸首就是煤炭材料燃烧，煤炭燃烧后高温烟气没有得到有效处理直接排放到大气中。一方面，造成空气中微小颗粒（PM2.5）含量急剧上升，导致了严重的雾霾污染；另一方面，对于煤炭燃烧后的高温烟气能源利用率低，能源损失大。因此，降低工业烟气排放，提高能源利用率，发展优异、高效、可靠的高温烟气过滤材料应用于燃煤工业是利国利民的大事。
设计多孔陶瓷过滤材料应综合考虑其在应用过程中的性能，寿命和成本。对于不同应用环境，多孔陶瓷过滤材料必须能承受废气流化学变化过程、吸附颗粒的成分和载荷变化、高温高压废气流带来的振动。同时还应具有高的除尘效率，高的气流容量，相对低的过滤压降。在实际使用过程中，陶瓷过滤材料必须承受机械加持和支撑结构带来的应力和脉冲气体净化带来振动和热应力。多孔过滤器成功使用的标准作为可行先进除尘理念不仅要求陶瓷材料具有热学，化学以及力学稳定性，每个过滤元件还应具有结构稳定性和高的集成工艺设计可靠性。碳化硅抗热震性能好，抗氧化，并且具有很强的耐酸碱腐蚀能力，多用于制备陶瓷过滤膜。
申请号为201210094292.0的中国发明专利公开了一种梯度孔隙纯质碳化硅膜管及其制备方法。梯度孔隙纯质碳化硅膜管的组成为纯质 SiC，由支撑体层及表面膜层构成梯度过滤结构；其中，支撑体由粗颗粒碳化硅堆积结合而成，平均孔径 5～120μm，表面膜层由细颗粒碳化硅堆积结合而成，孔径 0.1～20μm，膜管整体气孔率在 25～50％之间。制备方法依次包括配料、支撑体成型、膜层制备和烧成，成型采用等静压成型，成型压力控制为40～150MPa，烧成温度控制为1500～2400℃，保温时间0.5～5小时，易于实现，能够保证产品性能。
申请号为201410699493.2的中国发明专利公开了一种碳化硅过滤膜层及其低温制备方法，碳化硅过滤膜层的组成为纯质 SiC，表面膜层由细颗粒碳化硅堆积结合而成，孔径 20nm～20μm，膜层孔隙率在 40～50％之间，具有高通孔隙率、低压降、强度高、抗热冲击性能好、使用温度高的特点。采用细碳化硅颗粒、有机硅前驱体、造孔剂添加剂配制膜层浆料，采用喷涂表面制备膜层，经干燥后，烧结得到纯质碳化硅膜层。本发明采用有机硅前驱体裂解生成结合相，烧结温度低，孔隙结构控制容易，所制备膜层即可在氧化气氛下使用，也可以在还原气氛下使用，耐酸、碱腐蚀性能强，可用于煤气化化工及 IGCC、PFBC 煤气化发电、高温烟气、汽车尾气、水净化等各种高、低流体过滤净化。该专利是采用有机物先驱体浸渍裂解产物作为结合相，结合强度低，在含酸碱流体冲刷下容易脱落。
但是由于陶瓷材料韧性差，纯陶瓷过滤介质在反吹再生急冷急热环境中会产生热应力，一旦热应力达到材料断裂强度，材料即刻发生断裂，后果十分严重。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，旨在提供一种SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管及其制备方法，其特征在于，所述的SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管包括管状SiC纤维三维织物预制体，SiC基体，(SiC/PyC)n界面层，SiC基体附着于SiC纤维表面，(SiC/PyC)n界面层介于SiC基体和SiC纤维之间，管壁从内到外，SiC基体厚度呈梯度分布。管状SiC纤维三维织物预制体管壁厚度为5~10mm，体积分数为50%~65%。SiC基体厚度为30~100μm。(SiC/PyC)n界面层厚度为300nm~2μm。
包括以下顺序步骤：
（1）将碳化硅纤维编织成管状三维织物预制体，一端盲孔，一端开孔带法兰结构，编织角为20º~40º；
（2）编织好的预制件放入化学气相真空炉内，采用乙炔为碳源，氩气为稀释气体，乙炔流量为200~300ml/min，氩气为200~300ml/min，等温化学气相渗积PyC界面层，渗积温度1000~1100℃，渗积时间为5~10h；
（3）停止沉积PyC界面层，采用三氯甲基硅烷为碳化硅气源，氢气为载气，氩气为稀释气体，等温化学气相渗积SiC界面层，渗积温度1000~1200℃，渗积时间为5~10h；
（4）交替进行步骤（2）和步骤（3）5~10次，得到(SiC/PyC)n界面层；
（5）将制备好界面层的预制件再次放入化学气相真空炉内，以三氯甲基硅烷为碳化硅气源，氢气为载体，氩气为稀释气，三氯甲硅烷流量为30~50 ml/min，氢气流量为200~300 ml/min，氩气流量为200~300 ml/min，采用强制流动化学气相渗积（FCVI）工艺制备SiC基体，渗积时间为30~80h；
（6）降温至室温后，取出试样即得到SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管。
本发明具有的优点：1、连续纤维增强陶瓷基复合结构较纯陶瓷结构可靠性提高；2、复合过滤管韧性提高，断裂韧性和高温强度高，耐腐蚀；3、化学气相渗积工艺制备界面层和基体结构稳定，且制备温度低，减少对纤维损伤。
附图说明
图1为SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管结构示意图。
10为SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管壁结构；20为SiC纤维；30为(SiC/PyC)n界面层；40为SiC基体。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
（1）将碳化硅纤维编织成管状三维织物预制体，一端盲孔，一端开孔带法兰结构，编织角为40º；
（2）编织好的预制件放入化学气相真空炉内，采用乙炔为碳源，氩气为稀释气体，乙炔流量为300ml/min，氩气为300ml/min，等温化学气相渗积PyC界面层，渗积温度1000℃，渗积时间为5h；
（3）停止沉积PyC界面层，采用三氯甲基硅烷为碳化硅气源，氢气为载气，氩气为稀释气体，等温化学气相渗积SiC界面层，渗积温度1150℃，渗积时间为5h；
（4）交替进行步骤（2）和步骤（3）5次，得到(SiC/PyC)5界面层；
（5）将制备好界面层的预制件再次放入化学气相真空炉内，以三氯甲基硅烷为碳化硅气源，氢气为载体，氩气为稀释气，三氯甲硅烷流量为50 ml/min，氢气流量为300 ml/min，氩气流量为300 ml/min，采用强制流动化学气相渗积（FCVI）工艺制备SiC基体，渗积时间为50h；
（6）降温至室温后，取出试样即得到SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管。
实施例2
（1）将碳化硅纤维编织成管状三维织物预制体，一端盲孔，一端开孔带法兰结构，编织角为40º；
（2）编织好的预制件放入化学气相真空炉内，采用乙炔为碳源，氩气为稀释气体，乙炔流量为300ml/min，氩气为300ml/min，等温化学气相渗积PyC界面层，渗积温度1000℃，渗积时间为5h；
（3）停止沉积PyC界面层，采用三氯甲基硅烷为碳化硅气源，氢气为载气，氩气为稀释气体，等温化学气相渗积SiC界面层，渗积温度1150℃，渗积时间为5h；
（4）交替进行步骤（2）和步骤（3）6次，得到(SiC/PyC)6界面层；
（5）将制备好界面层的预制件再次放入化学气相真空炉内，以三氯甲基硅烷为碳化硅气源，氢气为载体，氩气为稀释气，三氯甲硅烷流量为40 ml/min，氢气流量为280 ml/min，氩气流量为300 ml/min，采用强制流动化学气相渗积（FCVI）工艺制备SiC基体，渗积时间为50h；
（6）降温至室温后，取出试样即得到SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管。
上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管，其特征在于，包括管状SiC纤维三维织物预制体，SiC基体，(SiC/PyC)n界面层，SiC基体附着于SiC纤维表面，(SiC/PyC)n界面层介于SiC基体和SiC纤维之间，管壁从内到外，SiC基体厚度呈梯度分布；所述的管状SiC纤维三维织物预制体管壁厚度为5~10mm，体积分数为50%~65%；所述的SiC基体厚度为30~100μm； 所述的(SiC/PyC)n界面层厚度为300nm~2μm；这种SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管的制备方法包括以下顺序步骤：
（1）将碳化硅纤维编织成管状三维织物预制体，一端盲孔，一端开孔带法兰结构，编织角为20º~40º；
（2）编织好的预制件放入化学气相真空炉内，采用乙炔为碳源，氩气为稀释气体，乙炔流量为200~300ml/min，氩气为200~300ml/min，等温化学气相渗积PyC界面层，渗积温度1000~1100℃，渗积时间为5~10h；
（3）停止沉积PyC界面层，采用三氯甲基硅烷为碳化硅气源，氢气为载气，氩气为稀释气体，等温化学气相渗积SiC界面层，渗积温度1000~1200℃，渗积时间为5~10h；
（4）交替进行步骤（2）和步骤（3）5~10次，得到(SiC/PyC)n界面层；
（5）将制备好界面层的预制件再次放入化学气相真空炉内，以三氯甲基硅烷为碳化硅气源，氢气为载体，氩气为稀释气，三氯甲硅烷流量为30~50ml/min，氢气流量为200~300ml/min，氩气流量为200~300ml/min，采用强制流动化学气相渗积（FCVI）工艺制备SiC基体，渗积时间为30~80h；
（6）降温至室温后，取出试样即得到SiC f /SiC陶瓷基复合过滤管。
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