專利名稱：結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法
技術領域：
本發明涉及一種重結晶碳化硅多孔陶瓷的制備方法，可用各種過濾器、催化劑載體及生物材料等。
背景技術：
柴油車近年來發展迅猛，但它的尾氣顆粒物排放污染已成為制約其進一步發展的瓶頸因素，同時也是大氣污染的一個主要因素。顆粒物過濾器(DPF)是目前公認的最有效的后處理技術之一。DPF由耐高溫的多孔材料制成，目前使用的主要材質是堇青石和碳化硅。新一代柴油車尾氣清潔系統主要材料是碳化硅基SiC蜂窩陶瓷材料。這是目前能滿足歐IV、歐V排放標準的蜂窩陶瓷材料。它可以清除汽車尾氣排放90%以上的顆粒，包括極細的微粒，使汽車尾氣排放顆粒率指標達到歐IV以上的標準，同時也廣泛應用于工業， 軍事航空等領域的廢氣、廢煙環保治理。而重結晶碳化硅(RSiC)的優良性能如極高的熱導率、相對低的熱膨脹系數、優良的抗氧化能力和抗熱震性能、良好的高溫強度和穩定的化學性能，使其成為一種重要的柴油車尾氣顆粒過濾材料。目前，重結晶碳化硅的制備方法是由雙峰分布的高純碳化硅粉料在2200°C以上的高溫及氬氣等惰性保護氣氛下，細顆粒蒸發并在粗顆粒接觸的頸部沉聚，使粗顆粒相互結合形成燒結體。近年來，國內外均有一些相關專利公開和技術報道。例如，為了解決重結晶碳化硅在較大的熱應力下易產生裂紋的問題，Ibiden公司在大尺寸碳化硅顆粒之間加入細小碳化硅顆粒通過改變燒結溫度和氣氛來調節重結晶碳化硅的顆粒尺寸分布并增加頸部面積，以提高抗熱沖擊性能。日本專利特願平8-32779和11-277120給出了一個使用粗大的α-SiC與細小的β-SiC或α-SiC配合，利用再結晶法制備碳化硅蜂窩陶瓷的方法。中國專利201010525702. 3給出了一種用碳化硅粉、碳粉和硅粉為原料，通過低溫反應燒結和高溫再結晶處理，獲得氣孔可控的碳化硅多孔陶瓷。以上方法中，原料中提供的或反應生成的細小碳化硅顆粒均為微米級的，因此再結晶溫度很高，需在2200°C以上，能耗較大，制品價格高昂。中國專利200610008498. 1給出了一種采用納米碳化硅做燒結助劑，擠出成形后在較低的溫度下(1800°C )燒結得到高純碳化硅蜂窩陶瓷體的方法。這種方法利用了納米碳化硅表面能較大和擴散系數較小的特點，明顯的較低燒結溫度，促進了燒結頸面積的增大，提高了材料強度。但是直接選用納米碳化硅作原料制備多孔碳化硅成本太高。
發明內容
本發明的目的是解決現有重結晶碳化硅能耗大、成本高的問題，考慮到目前制備重結晶碳化硅工藝方法中均未涉及碳熱還原工藝，提供了一種結合碳熱還原和再結晶兩種工藝，制備低成本、高性能、可控氣孔率的碳化硅多孔陶瓷的方法。為了達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的—種結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法，其特征在于，包括下述步
3驟(1)按重量百分數碳化硅粉40 70%、氧化硅粉15 ；34%、納米炭黑3 14%、 酚醛樹脂8 12%分別進行稱量，用酒精作為溶劑濕混制備成混合粉末；(2)將混合粉末干燥后過篩造粒；(3)根據所需制品形狀選擇模具，將造粒料裝入模具型腔內，模壓成型，成型壓力為 60 200MPa ；(4)將成形好的試樣置于感應燒結爐中，先在真空下加熱到1400 1500°C碳熱還原2 2. 5小時，然后在氬氣氣氛下加熱至1800 2000°C再結晶處理1 3小時，獲得燒結體。上述方案中，所述加熱到1400 1500°C碳熱還原的升溫速度為60°C /min。所述加熱至1800 2000°C再結晶處理的升溫速度為60°C /min。所述碳化硅粉，其α -SiC含量 > 98%，粉料粒徑4 35 μ m。所述氧化硅粉，其SiO2含量> 99%，粉料粒徑5 10 μ m。 所述氬氣氣氛為0. 5 1個大氣壓。本發明將碳熱還原反應與再結晶工藝結合起來，具有如下特點=(I)SiO2與C碳熱還原合成的碳化硅形貌尺寸取決于C的形貌尺寸。因此，選用納米炭黑后，合成的碳化硅顆粒純度高，而且是納米級的，尺寸為50 lOOnm。(2) SW2既是合成納米碳化硅的硅源，又是造孔劑。可通過調節SiO2的含量實現氣孔率可控。( 酚醛樹脂既是粘結劑，又在熱解后提供合成納米碳化硅的碳源，同時起到造孔劑的作用。(4)由于加入了碳粉，微米碳化硅顆粒表面的氧化層可與碳反應生成碳化硅，既能降低對碳化硅原料的純度要求，又可提高再結晶階段微米碳化硅的表面活性。( 合成的納米碳化硅易蒸發、表面能大，可大幅降低再結晶溫度，同時保證材料強度。(6)再結晶過程中，氬氣氣壓為0. 5 1個大氣壓且在其范圍內任選，再結晶溫度為1800 2000°C且在其范圍內任選，保溫1 3個小時且在其范圍內任選。本發明的有益效果是，按照本發明的方法，通過調整配方，可以得到具有不同氣孔率和力學性能的碳化硅陶瓷。該制備工藝以廉價的氧化硅粉末、碳化硅微粉、納米炭黑為主要原料，并且在低于普通再結晶工藝300 400°C的溫度下完成燒結，能顯著降低生產成本、節約能源。因此，該方法可廣泛應用于各種過濾器、催化劑載體及生物材料等的生產。
圖1和圖2分別為實施例3燒結后在不同放大倍數下的顯微形貌照片。
具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明碳化硅多孔陶瓷，其實施例組成如表1所示，在表1所示的實施例1 13 中，碳化硅組成含量一般在30 80 %，若小于30 %，充當材料骨架的碳化硅太少，材料強度太低且燒結過程中易變形開裂。若大于80%，碳熱還原合成的納米碳化硅太少，不足以起到降低再結晶溫度提高材料性能的作用。表1本發明碳化硅多孔陶瓷的組成和制備工藝
權利要求
1.一種結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法，其特征在于，包括下述步驟(1)按重量百分數碳化硅粉40 70%、氧化硅粉15 ；34%、納米炭黑3 14%、酚醛樹脂8 12%分別進行稱量，用酒精作為溶劑濕混制備成混合粉末；(2)將混合粉末干燥后過篩造粒；(3)根據所需制品形狀選擇模具，將造粒料裝入模具型腔內，模壓成型，成型壓力為 60 200MPa ；(4)將成形好的試樣置于感應燒結爐中，先在真空下加熱到1400 1500°C碳熱還原 2 2. 5小時，然后在氬氣氣氛下加熱至1800 2000°C再結晶處理1 3小時，獲得燒結體。
2.如權利要求1所述的結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述加熱到1400 1500°C碳熱還原的升溫速度為50 60°C /min。
3.如權利要求1所述的結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述加熱至1800 2000°C再結晶處理的升溫速度為70 90°C /min。
4.如權利要求1所述的結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述碳化硅粉，其α -SiC含量> 98%，粉料粒徑4 35 μ m。
5.如權利要求1所述的結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述氧化硅粉，其SW2含量> 99%，粉料粒徑5 10 μ m。
6.如權利要求1所述的結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法，其特征在于，所述氬氣氣氛為0. 5 1個大氣壓。
全文摘要
本發明公開了一種結合碳熱還原制備重結晶碳化硅多孔陶瓷的方法，按重量百分比，按重量百分數碳化硅粉40～70％、氧化硅粉15～34％、納米炭黑3～14％、酚醛樹脂8～12％分別進行稱量，用酒精作為溶劑濕混制備成混合粉末；然后模壓成形，將上述成形體放入燒結爐中，先在真空下加熱到1400～1500℃碳熱還原2～2.5小時，然后在氬氣氣氛下快速升溫至1800～2000℃再結晶處理1～3小時，即可獲得燒結體。本發明的碳化硅多孔陶瓷可廣泛應用于柴油車尾氣顆粒捕集器或催化劑載體等領域。
文檔編號C04B38/06GK102391012SQ201110219838
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月2日 優先權日2011年8月2日
發明者喬冠軍, 劉榮臻, 劉虎林, 史永貴, 楊建鋒, 王繼平, 鮑崇高 申請人:西安交通大學