高純碳化硅泡沫陶瓷的制備

江夏+李小燕+周耀

摘 要：本文應(yīng)用有機(jī)泡沫浸漿工藝，使用高純SiC原料，添加少量（0.6%）碳化硼作為助燒結(jié)劑，在Ar氣高溫1900 ℃下燒成制備了高SiC含量（>98%）的SiC泡沫陶瓷，該泡沫陶瓷具有優(yōu)異的抗熱沖擊性。

關(guān)鍵詞：SiC泡沫陶瓷；高純；抗熱沖擊性

1 前言

泡沫陶瓷是多孔陶瓷的一種，因其具有高孔隙率、耐高溫、耐腐蝕、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，如：高溫液體、氣體過濾分離、耐腐蝕填料、催化載體等。廣義上講，具有泡沫孔洞，或用有機(jī)泡沫做填充載體、燒失得到的多孔陶瓷都可稱為泡沫陶瓷。但從嚴(yán)格意義上來說，泡沫陶瓷是專指使用聚氨脂或其它有機(jī)材料的開孔泡沫塑料作為支撐載體，浸掛陶瓷漿料成型，之后在燒成過程中同時(shí)去除有機(jī)載體，得到的制品高孔隙率。[1]

泡沫陶瓷一般用作鑄造行業(yè)的熔融金屬過濾，其有堇青石、莫來石、氧化鋁、碳化硅、氧化鋯等等多種材質(zhì)。而目前應(yīng)用的較多的是氧化鋁、碳化硅、氧化鋯三種。其中，氧化鋁泡沫陶瓷主要用于金屬鋁和鋁合金；碳化硅泡沫陶瓷用于鑄鐵及有色金屬；氧化鋯泡沫陶瓷用于不銹鋼及更高溫合金等。普通的碳化硅泡沫陶瓷通常由碳化硅粉末、粘土、二氧化硅和氧化鋁混合制成，[2] 在空氣中的燒成溫度范圍為1200～1400 ℃，燒成過程中碳化硅顆粒與玻璃體或半結(jié)晶鋁硅酸鹽化合物結(jié)合，形成有一定強(qiáng)度和致密度的陶瓷體，這種制備工藝的一個(gè)特點(diǎn)是在燒結(jié)過程中不收縮或僅有輕微收縮，碳化硅合量一般不超過75wt%，這對(duì)于這種制品的正常使用已經(jīng)足夠了，因?yàn)榻^大多數(shù)碳化硅泡沫陶瓷在鑄造領(lǐng)域用作過濾器是一次性的，低含量的碳化硅可以有效降低成本和增大工藝的靈活性，由此提高生產(chǎn)效率。而在某些領(lǐng)域，如：燃燒器、柴油機(jī)尾氣過濾器、加熱元件、太陽能接收器等，需要更耐高溫和抗熱沖擊性更好甚至導(dǎo)電的碳化硅泡沫陶瓷，現(xiàn)有制品中較低的碳化硅含量已經(jīng)不能滿足要求，而且往往需要長(zhǎng)期重復(fù)使用。因此，需明顯提高現(xiàn)有碳化硅泡沫陶瓷中的碳化硅含量，來提高其抗熱沖擊性和長(zhǎng)期重復(fù)使用的性能。

本文選用優(yōu)質(zhì)高純碳化硅粉為原料，使用少量活性添加劑，采用普通泡沫陶瓷的有機(jī)泡沫浸漿工藝成型，在惰性氣氛下，采用大于1800 ℃的溫度燒成，可以獲得碳化硅含量>98%的碳化硅泡沫陶瓷，為高純碳化硅泡沫陶瓷的應(yīng)用提供了一項(xiàng)選擇。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

（1） 碳化硅粉：含量99.5%，平均粒經(jīng)有1.2 μm、1.8 μm、18 μm、54 μm。

（2） 碳化硼粉：含量98%，平均粒經(jīng)1.1～1.3μm，作為燒結(jié)助劑。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用的主要設(shè)備是氣氛燒結(jié)爐，它的特征為使用石墨發(fā)熱體，爐體循環(huán)水冷，可抽真空，通氣氛（本文中為Ar氣），最高可燒至1950 ℃，功率為110 kW。

2.3 實(shí)驗(yàn)工藝

本實(shí)驗(yàn)所使用的工藝流程如圖1所示。

（1） 配料

配料中基本配方為碳化硅粉，外加0.6wt%碳化硼（按有效硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算），碳化硅粉一個(gè)配方中用兩種粒徑的顆粒，以形成雙峰顆粒分布。

（2） 漿料制備

漿料中分散介質(zhì)為水；粉結(jié)劑使用水溶性酚醛樹脂等樹脂；懸浮液的固含量為80%左右；有機(jī)泡沫的規(guī)格為10～30 PPI（單位英寸的孔數(shù)目）。浸漿時(shí)可用離心機(jī)將多余的懸浮液去除，干燥后再重復(fù)浸漿和甩漿，這樣重復(fù)多次，直到掛漿厚度、重量滿意為止。

（3） 泡沫浸漿

對(duì)于規(guī)格為10 PPI（40 mm×40 mm×25 mm）有機(jī)泡沫，掛漿重量為20～25 g，即生坯密度為0.5～0.6 g/cm3，對(duì)于規(guī)格為30 PPI的有機(jī)泡沫，生坯密度為0.6～0.7 g/cm3，即25～30 g左右。

（4） 脫脂與燒結(jié)

干燥后脫脂在氣氛爐中進(jìn)行，控制緩慢脫脂以防開裂，通Ar氣，目的是保留部分坯體中的殘余碳，在隨后的高溫?zé)蛇^程中這些殘余碳可以起到活化和助燒結(jié)作用，燒成時(shí)先抽真空，再通Ar氣，最高燒成溫度為1850～1900 ℃，保溫2 h。因?yàn)橹破稴iC含量很高，具有優(yōu)良的抗熱沖擊性，可以快速升溫，在爐體水冷循環(huán)的情況下快速降溫，整個(gè)燒成周期可縮至8 h。其燒成制度曲線如圖2所示。

2.4 測(cè)試

（1） 強(qiáng)度測(cè)試

測(cè)試抗壓強(qiáng)度，按普通泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法進(jìn)行。

（2） 抗熱沖擊性測(cè)試

為驗(yàn)證制品的高熱沖擊性，以水冷代替空冷來進(jìn)行測(cè)試，將制品在空氣中加熱至1000 ℃后，迅速在冷水中急冷，測(cè)試之后的殘余強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 配方選擇

不同孔數(shù)的有機(jī)泡沫，其聚氨脂網(wǎng)絡(luò)的粗細(xì)不同，10 PPI和30 PPI的有機(jī)泡沫網(wǎng)筋粗細(xì)有明顯區(qū)別，其掛漿性能也因此不同，需要調(diào)整漿料尤其是顆粒粒徑和濃度以適應(yīng)上漿的需要。其配方及工藝參數(shù)詳情如表1所示。

3.2 樣品性能分析

Ar氣高溫?zé)珊蟮呐菽沾蓸悠沸阅苋绫?所示。

純SiC的燒結(jié)需2200～2400 ℃的高溫，這對(duì)設(shè)備要求很高，為降低燒成溫度，常用單質(zhì)硼、碳化硼等為燒結(jié)助劑，同時(shí)，單質(zhì)碳也可起到活化作用。SiC是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，即使有助燒結(jié)劑存在，仍需很高的溫度才能使顆粒頸部產(chǎn)生結(jié)合傳質(zhì)，促進(jìn)燒結(jié)。本文中燒成溫度為1900 ℃，制品泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度接近1 MPa，基本能適應(yīng)大部分的應(yīng)用場(chǎng)合，若提升燒成溫度至2000 ℃以上，有望進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。

與普通SiC泡沫陶瓷燒成零收縮不同，本文中樣品均有燒成收縮。配方中含有較多1 μm左右的SiC細(xì)粉，在高溫有助燒結(jié)劑存在時(shí)，產(chǎn)生傳質(zhì)自結(jié)合，引起收縮，同時(shí)又由于有更多的粗粉SiC存在，這種燒成收縮遠(yuǎn)比燒結(jié)純SiC陶瓷要小很多。粗粉SiC的作用一方面是減少收縮以防止高溫?zé)砷_裂；另一方面粗粉的存在使坯體形成一部分閉氣孔，這些封閉氣孔可明顯提高坯體的抗熱沖擊性能。2#樣品燒成收縮略低于1#樣品，是因?yàn)槠渑浞街蓄w粒略粗于1#樣品，相應(yīng)強(qiáng)度也略低于1#樣品，但兩種樣品熱沖擊性都很高，測(cè)試后仍有95%的殘余強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1） 應(yīng)用有機(jī)泡沫浸漿工藝使用高純SiC原料，高純配比，添加少量（0.6%）碳化硼助燒結(jié)劑，在Ar氣高溫1900 ℃可制備出高SiC含量的SiC泡沫陶瓷。

（2） 高純SiC泡沫陶瓷具有優(yōu)異的抗熱沖擊性能，為某些需要高溫重復(fù)使用泡沫陶瓷制品的場(chǎng)合提供更多選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] US Patent 3090094[p].

[2] US Patent 4885263[p].