CN108440007A - 一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板 - Google Patents
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Abstract
一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板，其特征在于，包括二维编织碳化硅纤维织物支撑体和陶瓷基体，在碳化硅纤维表面与陶瓷基体之间存在过渡界面层，碳化硅纤维编织织物体积分数自外而内分别为70%，60%，50%，在厚度方向上呈现孔隙梯度分布；碳化硅纤维编织织物厚度为15mm，陶瓷基体为SiN基体，厚度为100μm。本发明的有益效果：1.强度高；2.孔隙率低；3.过滤效果好。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷过滤材料的制备方法，特别是涉及一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板，属于材料领域。
背景技术
目前，全世界90%高温高压粉尘过滤系统都是采用陶瓷过滤材料作为其过滤系统的核心，其余10%为金属材料。总体来看，陶瓷过滤材料表现出很好的耐高温和抗腐蚀性能，但其韧性差，延展性很差，在滤材进行反吹再生时，陶瓷过滤材料会在由热失配造成的热应力作用下出现损坏，因此，进一步提高陶瓷过滤材料的高抗热震性是亟需解决的问题。
因此，人们正致力于研究开发能够耐高温抗热震的烟气过滤材料，而纤维增强陶瓷基复合过滤材料依靠连续长纤维使材料增强、增韧，由于其优异的耐高温性能，较高的过滤精度，受到广泛关注，逐渐成为耐高温烟气过滤材料的首选。3M公司和NASA正在研发的以氧化铝纤维，碳化硅纤维增韧补强的碳化硅陶瓷基复合材料因纤维与基体都具有优良的耐高温、抗氧化、抗腐蚀性能，正在成为高温煤气烟气过滤的主要元件。因氧化铝纤维、碳化硅纤维增韧补强的碳化硅陶瓷基复合材料是美国在上世纪90年代研发的用于推重比20的航空发动机燃烧室高温部件，也被用于高马赫数航天飞行器的前端材料、卫星姿控、轨控用液体火箭发动机喷管材料，因而本文称其为航天级SiC f /SiC陶瓷基复合材料，以与民用的陶瓷过滤器区别。据3M公司网站资料，美国一个IGCC发电项目总投资基本在20亿美元，其中高温过滤是其核心的核心，关系到高温煤气中热能的有效利用，一套高温除尘装置占到总投资的四分之一！
陶瓷基复合材料过滤器的核心材料是纤维，目前可用的有Nextel 720纤维和SiC纤维。Nextel 720微结构是针状莫来石环绕纳米氧化铝细晶结构，莫来石因具有晶界扩散系数低的优点，阻止了氧化铝晶粒的长大，因而高温抗蠕变性能较好。上世纪90年代Nicalon SiC纤维价格奇高，因而美国也采用Nextel 720纤维，然而Nextel 720在长期高温环境服役后，晶粒依然长大，纤维脆化，陶瓷基复合材料力学性能急剧下降，至目前为止，还没有更好的能耐高温的氧化物纤维，更没有可工业化的氧化物纤维。
我国碳化硅纤维经过十余年的发展，已经能批量生产，为本项目的实施提供了可靠的原材料。从3M和NASA的最新研发资料分析，SiC f /SiC是唯一可用于高温环境的陶瓷基复合材料。从原材料、以及先进的化学气相渗透复合工艺的成熟度，都表明SiC f /SiC陶瓷基复合材料能够工程化，为我国工业高温除尘提供可靠的材料，为除霾防霾、净化我国大气环境、同时提高我国能源利用效率具有重要的价值，也是发展的重点方向。
发明内容
本发明旨在提供一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板。
为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板，其特征在于，包括二维编织碳化硅纤维织物支撑体和陶瓷基体，在碳化硅纤维表面与陶瓷基体之间存在过渡界面层，碳化硅纤维编织织物体积分数自外而内分别为60%~70%，50~60%，40%~50%，在厚度方向上呈现孔隙梯度分布；碳化硅纤维编织织物厚度为5~15mm，陶瓷基体为SiC基体或SiN基体，厚度为30~100μm，其制备过程主要包括以下步骤：
（1）将SiC纤维通过二维编织1×1结构或2×2结构制备SiC纤维布；
（2）将步骤（1）中制备的SiC纤维布进行叠层缝合制备SiC纤维预制体，SiC纤维布层数为10~20层；
（3）制备PyC、BN、B4C或ZrO2界面层，界面层厚度为300nm~2μm；
（4）将制备界面后的预制体置入化学气相沉积炉中，通过CVI法制备SiC基体，具体步骤为：抽真空至炉内压强为10~1000Pa，升温至950~1100℃，使用的硅源气体为三氯甲基硅烷，反应气体为氢气，氩气为载气，MTS、H2、Ar流量比为1:5:5~1:10:10，炉内压力为1~1000Pa，反应温度为900~1050℃，反应时间为50~100h。
本发明的有益效果是：1.强度高；2.孔隙率低；3.过滤效果好。
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
一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板，其特征在于，包括二维编织碳化硅纤维织物支撑体和陶瓷基体，在碳化硅纤维表面与陶瓷基体之间存在过渡界面层，碳化硅纤维编织织物体积分数自外而内分别为60%，50%，40%，在厚度方向上呈现孔隙梯度分布；碳化硅纤维编织织物厚度为5mm，陶瓷基体为SiC基体厚度为30μm，其制备过程主要包括以下步骤：
（1）将SiC纤维通过二维编织1×1结构制备SiC纤维布；
（2）将步骤（1）中制备的SiC纤维布进行叠层缝合制备SiC纤维预制体，SiC纤维布层数为10层；
（3）制备PyC界面层，界面层厚度为300nm；
（4）将制备界面后的预制体置入化学气相沉积炉中，通过CVI法制备SiC基体，具体步骤为：抽真空至炉内压强为10Pa，升温至950℃，使用的硅源气体为三氯甲基硅烷，反应气体为氢气，氩气为载气，MTS、H2、Ar流量比为1:5:5，炉内压力为1Pa，反应温度为900℃，反应时间为50h。
本发明的有益效果是：1.强度高；2.孔隙率低；3.过滤效果好。
实施例2
一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板，其特征在于，包括二维编织碳化硅纤维织物支撑体和陶瓷基体，在碳化硅纤维表面与陶瓷基体之间存在过渡界面层，碳化硅纤维编织织物体积分数自外而内分别为70%，60%，50%，在厚度方向上呈现孔隙梯度分布；碳化硅纤维编织织物厚度为15mm，陶瓷基体为SiN基体，厚度为100μm，其制备过程主要包括以下步骤：
（1）将SiC纤维通过二维编织2×2结构制备SiC纤维布；
（2）将步骤（1）中制备的SiC纤维布进行叠层缝合制备SiC纤维预制体，SiC纤维布层数为20层；
（3）制备ZrO2界面层，界面层厚度为2μm；
（4）将制备界面后的预制体置入化学气相沉积炉中，通过CVI法制备SiC基体，具体步骤为：抽真空至炉内压强为1000Pa，升温至1100℃，使用的硅源气体为三氯甲基硅烷，反应气体为氢气，氩气为载气，MTS、H2、Ar流量比为1:10:10，炉内压力为1000Pa，反应温度为1050℃，反应时间为100h。
本发明的有益效果：1.强度高；2.孔隙率低；3.过滤效果好。
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 (3)
1.一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板，其特征在于，包括二维编织碳化硅纤维织物支撑体和陶瓷基体，在碳化硅纤维表面与陶瓷基体之间存在过渡界面层，碳化硅纤维编织织物体积分数自外而内分别为60%~70%，50~60%，40%~50%，在厚度方向上呈现孔隙梯度分布；其制备过程主要包括以下步骤：
（1）将SiC纤维通过二维编织1×1结构或2×2结构制备SiC纤维布；
（2）将步骤（1）中制备的SiC纤维布进行叠层缝合制备SiC纤维预制体，SiC纤维布层数为10~20层；
（3）制备PyC、BN、B4C或ZrO2界面层，界面层厚度为300nm~2μm；
（4）将制备界面后的预制体置入化学气相沉积炉中，通过CVI法制备SiC基体，具体步骤为：抽真空至炉内压强为10~1000Pa，升温至950~1100℃，使用的硅源气体为三氯甲基硅烷，反应气体为氢气，氩气为载气，MTS、H2、Ar流量比为1:5:5~1:10:10，炉内压力为1~1000Pa，反应温度为900~1050℃，反应时间为50~100h。
2.根据权利要求1所述的一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板，其特征在于，所述的碳化硅纤维编织织物厚度为5~15mm。
3.根据权利要求1所述的一种二维编织碳化硅纤维织物增强碳化硅复合材料过滤板，其特征在于，所述的陶瓷基体为SiC基体或SiN基体，厚度为30~100μm。
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