碳化硅多孔陶瓷制備工藝研究

摘 要：多孔碳化硅陶瓷的耐磨性、高溫強(qiáng)度、抗熱震性以及耐腐蝕性與傳統(tǒng)陶瓷相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此引起了廣泛的關(guān)注。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，此類材料廣泛應(yīng)用于過濾分離、環(huán)境保護(hù)、吸聲降噪、航空航天、生物醫(yī)學(xué)和能源化工等各個(gè)領(lǐng)域。本文結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比多孔碳化硅陶瓷傳統(tǒng)制備和現(xiàn)代制備工藝，對(duì)相關(guān)制備工藝作出展望。

關(guān)鍵詞：碳化硅；多孔陶瓷；制備工藝；

中圖分類號(hào)： TM281+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

一、傳統(tǒng)工藝制備

（一）有機(jī)泡沫浸漬法應(yīng)用

該項(xiàng)制備工藝以有機(jī)泡沫為骨架，完成浸漿、干燥工序后，經(jīng)過高溫?zé)仆瓿?。有機(jī)物在陶瓷燒制的過程中揮發(fā)，留下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷體。這項(xiàng)工藝的特殊之處在于制備好的漿料能夠均勻地覆蓋在開孔三維網(wǎng)狀骨架機(jī)構(gòu)的有泡沫體上，經(jīng)過干燥燒制后，有機(jī)泡沫層消失，留下網(wǎng)眼型的孔隙。設(shè)備少、工藝過程簡(jiǎn)單、成本低是該項(xiàng)制備工藝的優(yōu)點(diǎn)。這種工藝燒制出來(lái)的陶瓷孔隙度高且氣孔之間相互貫通，工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用廣泛。水基漿料的應(yīng)用既滿足了現(xiàn)代環(huán)保制作要求，同時(shí)也降低了制作成本。

但這種制造工藝也存在一定缺陷，由于水基漿料和有機(jī)泡沫材料的兼容性不夠，制品強(qiáng)度無(wú)法保證。要想改善碳化硅泡沫陶瓷的力學(xué)性能，減少掛漿陶瓷胚體在加工過程中出現(xiàn)涂蓋不均和孔筋裸露的現(xiàn)象發(fā)生，可以通過液相滲硅、增加掛漿量或改進(jìn)燒成工藝實(shí)現(xiàn)。掛漿量的增加可以在陶瓷漿料中添加粘結(jié)劑、分散劑、流變劑、漿料表面活性劑等一系列添加劑來(lái)增加有機(jī)泡沫的粘附性能。

（二）造孔劑添加法應(yīng)用

這種工藝在陶瓷配料中加入造孔劑，造孔劑占據(jù)胚體孔隙中占據(jù)一定空間，燒結(jié)工序完成后，造孔劑脫離胚體，原先占據(jù)的空間形成氣孔，為碳化硅泡沫陶瓷的制備做好準(zhǔn)備。這項(xiàng)工藝的優(yōu)點(diǎn)在于，通過溫度和時(shí)間的改變可控制調(diào)整產(chǎn)品的強(qiáng)度和空隙率。普通工藝燒制時(shí)，燒成溫度過高時(shí)，形成液增多，閉口氣孔增加，孔隙率過低，達(dá)不到要求；燒制溫度過低時(shí)，液相量減小，產(chǎn)品強(qiáng)度無(wú)法滿足要求。造孔劑添加法的應(yīng)用則可以避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，孔隙率也控制在50%以下。這種制造工藝的缺點(diǎn)有：1、對(duì)造孔劑分散性要求較高；2、產(chǎn)品的氣孔率不高；3、孔徑大小、分布控制效果較差。

造孔劑主要有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩種，無(wú)機(jī)造孔劑主要是各種銨鹽，或是可以在高溫下分解的鹽類。有機(jī)造孔劑則主要是天然纖維、高分子聚合物以及有機(jī)酸等，像尿素、聚苯乙烯和聚丙烯醇等。其中，淀粉是常用的有機(jī)造孔劑。通過燒制實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，淀粉量越大，碳化硅多孔陶瓷的強(qiáng)度和密度越小，氣孔直徑越大，氣孔率增大。造孔添加劑分量的多少對(duì)產(chǎn)品物組組成基本不造成影響。

二、先進(jìn)工藝制備

（一）流延成型工藝應(yīng)用

陶瓷泥漿在刮刀的作用下，可在平面延展呈片狀，再對(duì)其陶瓷坯體塑性的方法稱之為流延成型工藝。通過粘結(jié)劑、增塑劑、懸浮劑以及溶劑添加混合構(gòu)成水溶液或污水溶液，原先細(xì)分散的陶瓷粉料懸浮狀變?yōu)榭闪鲃?dòng)且可塑性強(qiáng)的料漿。流經(jīng)經(jīng)過刮刀，料漿在流延機(jī)運(yùn)輸帶上直接形成薄層坯帶。坯帶流動(dòng)的過程中，溶劑逐漸揮發(fā)，固定微粒聚集，形成質(zhì)地密致且柔軟的坯帶，經(jīng)過沖壓處理后，形成固定形狀的坯體。流延成型工藝與傳統(tǒng)制備工藝相比較而言，具有投入費(fèi)用小、設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

（二）化學(xué)氣相滲透工藝應(yīng)用

化學(xué)氣相沉積是該項(xiàng)工藝的技術(shù)原理，基底物質(zhì)（碳基底居多）與沉積物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過燒制后制備成多孔陶瓷材料。以化學(xué)氣相沉積工藝為基礎(chǔ)，在經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)，再研究出化學(xué)氣相滲透制備工藝。通過近幾十年的發(fā)展，化學(xué)氣相淀積已廣泛應(yīng)用于新晶體研制、物質(zhì)提純、多種玻璃態(tài)或單、多晶體無(wú)機(jī)薄膜材料淀積等行業(yè)。該項(xiàng)工藝有產(chǎn)品孔隙度、密度可調(diào)控；低密度、高強(qiáng)度且形狀復(fù)雜多孔碳化硅陶瓷制備的優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品密度可控制在1.3g/cm3，孔隙度則可達(dá)到65%到80%，這類低密度高孔隙率的產(chǎn)品是傳統(tǒng)工藝制備很難生產(chǎn)出來(lái)的。

（三）冷凍干燥工藝應(yīng)用

定向冷凍干燥工藝可以制備微觀形貌精細(xì)、外形復(fù)雜的多孔陶瓷材料，屬于濕法成型工藝的一種。通過控制有機(jī)溶劑或水在一定方向上凍結(jié)形成排列整齊的溶液晶體，再在低壓狀態(tài)下干燥升華為游模板或冰，最后通過高溫?zé)Y(jié)，得到多孔陶瓷成品。成本費(fèi)用少、孔道結(jié)構(gòu)精確可調(diào)、適用范圍廣泛、力學(xué)性能較佳是該制備工藝的優(yōu)點(diǎn)。但我國(guó)的機(jī)械設(shè)備和制備技術(shù)相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言還是處于之后狀態(tài)，因此該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展或多或少受到了限制。

三、未來(lái)展望及總結(jié)

多孔碳化硅陶瓷由于具備優(yōu)越的耐磨性、高溫強(qiáng)度、抗熱震性以及耐腐蝕性而受到了各大制造行業(yè)的廣泛關(guān)注，已有多種領(lǐng)域離不開這一新型材料的應(yīng)用。而傳統(tǒng)碳化硅泡沫陶瓷制備技術(shù)用時(shí)長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、產(chǎn)品雜質(zhì)占比大、燒結(jié)溫度高、成品性能不穩(wěn)定等因素制約了該項(xiàng)材料的應(yīng)用發(fā)展。相比之下，新型碳化硅泡沫陶瓷的制備有著產(chǎn)品性能穩(wěn)定、工藝要求簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，燒結(jié)過程中仍需要較高溫度。工藝發(fā)展的過程中，還存在像孔徑大小、形狀及分布控制困難、制備納米級(jí)微孔碳化硅陶瓷標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法達(dá)到、生產(chǎn)成本費(fèi)用較高等亟待解決的問題。就當(dāng)前形勢(shì)來(lái)看，我們應(yīng)該將重點(diǎn)放在孔徑大小控制、孔徑分布控制、低溫?zé)迫齻€(gè)方面作出研究，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本降低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化、生產(chǎn)質(zhì)量提高的生產(chǎn)目標(biāo)，樹立規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的發(fā)展目標(biāo)，進(jìn)而全面推動(dòng)陶瓷行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

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