一種無壓燒結碳化硅泡沫陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高溫結構陶瓷生產技術領域，具體涉及一種無壓燒結碳化硅泡沫陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002]碳化硅(SiC)及其泡沫陶瓷是一種重要的高溫結構陶瓷。作為未來有可能用于摩擦材料領域的金屬/陶瓷復合材料的基礎材料，在采用真空一壓力鑄造、壓力制造、低壓鑄造、負壓鑄造、重力鑄造等方法，將其與金屬(黑色金屬、有色金屬)復合時，為防止其與金屬發生反應，對其表面性能、致密度、強度等提出了很高的要求。而目前在研的用于過濾器的碳化硅泡沫陶瓷，主要是在1400°C左右的氧化氣氛下，用其它組分將碳化硅細粉燒制粘接在一起，碳化硅含量一般低于75%，且表面粗糙、強度低。而本發明碳化硅泡沫陶瓷，是使用碳化硅含量在95%以上的陶瓷漿料與聚氨酯前軀體通過浸漬、淋漿等方法輥壓復合、干燥，再淋漿、干燥后，在氬氣氣氛下經高溫無壓燒結制成。而要想采用輥壓的方法將碳化硅陶瓷漿料與聚氨酯前軀體復合，就必須先制備出粘度適中、觸變性好、固相含量高的碳化硅漿料。而且，由于碳化硅具有很強的共價鍵，很難燒結致密，特別是碳化硅的無壓燒結，必須采用亞微米級別的碳化硅超細粉，并添加硼、碳等燒結助劑，或是氧化鋁、氧化釔在1700~2300°C燒結，才能完成致密化過程。但是，隨著碳化硅粒度的降低，粉體的表面積、表面能及表面結合能都迅速增大，表現出很高的化學活性，微粒間團聚嚴重，使硼、碳或氧化鋁、氧化釔等燒結助劑不容易均勻分散于漿料中，這將嚴重影響碳化硅陶瓷燒結體微觀結構的均勻性。因此，克服微粒間團聚，制備低粘適中、觸變性好、固相含量高，燒結助劑和碳化硅超細粉分散良好、均勻的漿料非常重要。
[0003]很多研究表明，加入C元素及其化合物都可促進SiC陶瓷的固相燒結。加入氧化鋁、氧化釔可以促進SiC陶瓷的液相燒結。其中，添加C元素有利于除去SiC粉末表面的S12,提高粉體表面能，提高粉體的燒結活性。目前，關于這方面的研究有如下現有技術:CN1325832A、專利 CN101708402A、CN102101785A、CN101830704A、CN103011887A、CN103253980A、CN103964887A和CN103787689A，主要以添加含碳的液體有機物(例如酚醛樹脂，聚碳硅烷等)作為碳化硅的燒結助劑。但是，采用傳統的含碳的液體有機物作為添加劑的缺點有兩個，其一是含碳的液體有機物在合成反應時的觸媒或是環境可能會造成其燒蝕后的殘碳含量有變化，生產中容易出現缺碳或者富碳現象，嚴重影響碳化硅陶瓷制品的燒結質量；其二是用于稀釋含碳的液體的有機物易燃易爆，不易于儲存和運輸，而水溶性含碳的液體(如水溶性酚醛樹脂)受合成反應時的觸媒、酸堿度和環境影響很大，難于長期保存。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供了一種用糖燒蝕后的殘碳作為碳源引入亞微米級SiC超細粉中，獲得高分散、低粘度、高觸變、高固含的亞微米級SiC漿料，并將其與聚氨酯泡沫輥壓復合，經無壓燒結制備碳化硅泡沫陶瓷的方法，其具備安全性高，所制備的碳化硅泡沫陶瓷中碳化硅固相含量高的特點。
[0005]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下:
本發明一方面提供了一種無壓燒結碳化硅泡沫陶瓷，其關鍵技術在于，陶瓷均勻漿料包括以下重量份的組分:
主料100份；
分散劑0.1-1.5份；
增塑劑0.1-1.5份；
羧甲基纖維素 0.1~1.5份；
粘結劑10~45份；
消泡劑0.1-1.5份；
所述的主料為按重量百分比為如下的組份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，燒蝕后殘碳量占碳化硅粉體重量1.5-9.5 wt.%的糖。
[0006]上述無壓燒結碳化硅泡沫陶瓷，通過以下步驟制備:
(1)按以下重量份稱取原料:
主料100份；
分散劑0.1-1.5份；
增塑劑0.1-1.5份；
羧甲基纖維素 0.1~1.5份；
粘結劑10~45份；
消泡劑0.1-1.5份；
所述的主料為按重量百分比為如下的組份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，燒蝕后殘碳量占碳化硅粉體重量1.5-9.5 wt.%的糖；
(2)均勻漿料的制備:
將步驟⑴的原料加入球磨桶中，配制成固相含量為65 -88 wt.%的漿料，用堿將漿料pH值調至9~12，經真空球磨后形成均勻漿料；
(3)將步驟(2)得到的均勻漿料采用浸漬或淋漿的方法與經表面處理后的聚氨酯泡沫，通過棍壓、吹氣、干燥；再淋楽、吹氣、干燥結合在一起；
(4)采用無壓燒結方法制得碳化硅固相含量97.5-99.5%的碳化硅泡沫陶瓷。
[0007]本發明另外一方面提供了一種無壓燒結碳化硅泡沫陶瓷，其包括以下步驟:
(I)按以下重量份稱取原料:
主料100份；
分散劑0.1-1.5份；
增塑劑0.1-1.5份；
羧甲基纖維素 0.1~1.5份；
粘結劑10~45份；
消泡劑0.1-1.5份；
所述的主料為按重量百分比為如下的組份混合而成:SiC粉末占95~99 wt.%，碳化硼粉末占0.5-4.5 wt.%，燒蝕后殘碳量占碳化硅粉體重量1.5-9.5 wt.%的糖； (2)均勻漿料的制備:
將步驟⑴的原料加入球磨桶中，配制成固相含量為65 -88 wt.%的漿料，用堿將漿料pH值調至9~12，經真空球磨后形成均勻漿料；
(3)將步驟(2)得到的均勻漿料采用浸漬或淋漿的方法與經表面處理后的聚氨酯泡沫結合，再通過輥壓、吹氣、干燥；再淋漿、吹氣、干燥成型；
(4)采用無壓燒結方法制得碳化硅固相含量97.5-99.5%的碳化硅泡沫陶瓷。
[0008]作為本發明進一步的改進，步驟(I)中碳化娃的平均粒徑在0.1?1.5 μπι，純度95-99% ;碳化硼粉末的平均粒度0.3-3.5 μ m ;純度85~95%。
[0009]作為本發明進一步的改進，步驟(I)中的糖選自單糖、雙糖或多糖。其燒蝕后的殘碳含量在20~45 wt.% ；
作為本發明進一步的改進，步驟(2)中聚氨酯泡沫的孔徑為5?50ppi，表面使用質量百分比為0.05?2.0%的羧甲基纖維素(CMC)水溶液進行植絨處理。
[0010]作為本發明進一步的改進，步驟(I)中粘結劑為聚乙烯醇水溶液，溶液濃度為2?9wt.%o
[0011]作為本發明進一步的改進，步驟(I)中分散劑的化學成分為氨基醇。作為本發明進一步的改進，步驟(I)中增塑劑的化學成分為由十個分子以上單糖縮合成的多糖高聚物或纖維素衍生物。
[0012]作為本發明進一步的改進，步驟(I)中消泡劑為BYK型。
[0013]作為本發明進一步的改進，步驟⑵中真空球磨時間為2~12小時，磨球的化學成分為氧化鋁、氧化鋯或碳化硅，磨球和漿料的重量比為(1~3):1，真空度為100~1000 Pa。
[0014]作為本發明進一步的改進，步驟(4)中無壓燒結是指在1700~2300°C，氬氣氣氛下保溫0.5~3h，得到碳化硅固相含量在97.5-99.5%的碳化硅泡沫陶瓷。
[0015]上述的氨基醇選自以下化合物:N，N-二甲基-2-( 二苯甲氧基)乙胺，二乙氨基乙醇，4-氨基苯乙醇，羥苯乙醇胺，1-(4-羥基苯基)-2-氨基乙醇，N-芐基-N-甲基乙醇胺等，由此擴展到所有帶氨基的醇類。
[0016]上述多糖高聚物為由十個分子以上單糖縮合成的多糖高聚物。
[0017]上述纖維素衍生物包括:纖維素醚和纖維素酯以及纖維素醚酯三大類。主要包括:纖維素硝酸酯、纖維素乙酸酯、纖維素乙酸丁酸酯和纖維素黃酸酯。纖維素醚類有:甲基纖維素、羧甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、氰乙基纖維素、羥丙基纖維素和羥丙基甲基纖維素等。
[0018]至目前為止，制備高純度的碳化硅陶瓷漿料主要用于噴霧造粒，或是注漿凝膠成型，鮮有使用高純度碳化硅陶瓷漿料制備泡沫陶瓷的報道。為了發明安全、高效的制備用于摩擦復合材料的無壓燒結碳化硅泡沫陶瓷的方法，發明人進行了大量的研究，包括使用水溶性酚醛樹脂、糠醛樹脂等進行碳的引入。結果，發明人發現采用糖燒蝕后的碳作為燒結助劑，不但可以準確且穩定地引入確定含量的碳，而且由于其有著不燃不爆、易于儲存和運輸的優勢。正當發明人欣喜于這一發現時，卻發現采用糖燒蝕后的碳作為燒結助劑，對于使