一種梯度多孔氮化硅陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷制備領(lǐng)域，涉及一種梯度多孔氮化硅陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]梯度多孔陶瓷是指氣孔率或孔徑或孔結(jié)構(gòu)隨樣品尺寸作有規(guī)律變化的陶瓷。由于具有非對(duì)稱(chēng)的孔結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)小孔徑大透氣，具有高過(guò)濾精度、大透氣系數(shù)、反洗效果好的特點(diǎn)，用在過(guò)濾分離領(lǐng)域可大大提高過(guò)濾精度和過(guò)濾效率，降低壓降，從而降低了生產(chǎn)成本，特別適用于溫度高、具有腐蝕性等含有微細(xì)粒子的混合流體的分離、高溫?zé)煔獬龎m和精細(xì)過(guò)濾等。目前，梯度多孔陶瓷已用于固液分離膜、催化劑載體、傳感器支架等。同時(shí)，由于其良好的高溫性能，還被用作合金澆鑄用芯管、熱障涂層、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等。
[0003]目前，梯度多孔陶瓷的制備方法主要有成孔劑梯度排列法、有機(jī)前驅(qū)體浸漬法和沉淀生成法等。1)成孔劑梯度排列法的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單，操作方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是孔的形狀不規(guī)則且孔徑的連續(xù)變化性較差。另外該方法適用于形狀簡(jiǎn)單制品的制備，而難以用來(lái)制備復(fù)雜形狀的制品。2)有機(jī)前驅(qū)體浸漬法的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單、操作方便，無(wú)需復(fù)雜設(shè)備，制品的孔徑大小及變化可通過(guò)選擇有機(jī)前驅(qū)體來(lái)確定。但該方法的缺點(diǎn)是制品的性能受有機(jī)前驅(qū)體的影響較大，尤其是我國(guó)生產(chǎn)的聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料在彈性及抗拉強(qiáng)度上，均較國(guó)外有很大差距。另外，漿料的制備及其性能的調(diào)整也是一項(xiàng)較困難的工作，在一定程度上影響了前驅(qū)體法生產(chǎn)的孔梯度多孔陶瓷性能的提高。3)沉淀生成法的工藝關(guān)鍵是:既要保證陶瓷顆粒與成孔劑顆粒同時(shí)沉降，又要使成孔劑能均勻地分布于沉積層中。此方法的優(yōu)點(diǎn)是生坯的性能較穩(wěn)定，并且孔的形狀較規(guī)則，缺點(diǎn)是工藝過(guò)程及設(shè)備復(fù)雜，此方法還有待于進(jìn)一步的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡(jiǎn)單且易于工藝控制的一種梯度多孔氮化硅陶瓷的制備方法。本發(fā)明所述的制備方法是在原有的制備多孔陶瓷的基礎(chǔ)上，基于生物質(zhì)材料(稻殼、秸桿等)的結(jié)構(gòu)存在差異，制備出一種不同孔隙結(jié)構(gòu)分布的多孔陶瓷。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種梯度多孔氮化硅陶瓷的制備方法，具體的，包括以下步驟:
[0006]步驟1)將生物質(zhì)預(yù)處理后，進(jìn)行碳化、粉磨，獲得碳硅質(zhì)前驅(qū)體，然后將其與氮化硅、添加劑混合，研磨造粒，得到含碳硅質(zhì)的混合物；
[0007]步驟2)將步驟1中得到的兩種或兩種以上的含碳硅質(zhì)的混合物依次裝入模具內(nèi)，各層依次裝填；裝填后跳振；在3?20MPa下模壓成型，得到坯體；
[0008]步驟3)將坯體在氮?dú)鈿夥占俺合逻M(jìn)行燒結(jié)，冷卻后，得到梯度多孔氮化硅陶
bL.Ο
[0009]上述制備方法中，所述的生物質(zhì)為棉桿、稻殼、玉米桿、稻桿或麥桿。所述的預(yù)處理為:采用體積分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液浸泡至完全浸透，再沸煮lh，最后用蒸餾水清洗，烘干。
[0010]所述的碳化為在540°C下碳化，時(shí)間40?150min。碳化后得到的所述的碳娃質(zhì)前驅(qū)體中C與Si02的重量比為0.5?1.5，優(yōu)選0.7?1.3。
[0011]所述的碳娃質(zhì)前驅(qū)體與氮化娃、添加劑的質(zhì)量比為(46?86): (5?45): (9?15)，優(yōu)選(49 ?61): (30 ?40): (9 ?11)。
[0012]所述的添加劑選為Fe203、NaF、Y203、A1203、MgO、Ce02、Yb203、Si02、La203、Lu203、Sm203、Nd203、Eu203中的一種或幾種。
[0013]所述的混合為球磨混合，研磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇；混合均勻并烘干后，再進(jìn)行研磨造粒。
[0014]所述的研磨造粒，以聚乙烯醇溶液(PVA)為粘結(jié)劑，所述聚乙烯醇溶液的濃度為5% (重量比)，研磨造粒后過(guò)120篩，得到含碳硅質(zhì)的混合物。所述的兩種或兩種以上的含碳硅質(zhì)混合物，裝入模具內(nèi)的量?jī)?yōu)選等質(zhì)量裝填。即1:1或1:1:1以此類(lèi)推。
[0015]本發(fā)明中裝填后跳振，非常的重要，裝填多層料時(shí)，可以利用跳振使各層料相互滲透，燒結(jié)時(shí)不易斷裂分層。
[0016]所述的燒結(jié)為:將坯體烘干后放入內(nèi)涂氮化硼的石墨罐內(nèi)，并將石墨罐置于高溫爐中，然后在氮?dú)鈿夥占俺合聼Y(jié)。
[0017]有益效果:
[0018](1)本發(fā)明研制出每層都具有梯度變化的互相貫通開(kāi)口氣孔結(jié)構(gòu)，且相鄰兩層間形成過(guò)渡梯度層的梯度多孔氮化硅陶瓷。
[0019](2)本發(fā)明所用原料主要為農(nóng)業(yè)廢棄物廢料，生產(chǎn)成本低廉。
[0020](3)本發(fā)明是通過(guò)一步成型碳熱還原-常壓燒結(jié)法，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的方法制備梯度多孔氮化硅陶瓷。
【具體實(shí)施方式】
:
[0021]以下參照具體的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0022]下述實(shí)施例中所用的原料、試劑材料等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均為市售購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品。
[0023]實(shí)施例1
[0024]原料制備:稻殼采用體積分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮lh，最后用蒸餾水清洗5次，烘干后裝入匣缽中在540°C下碳化80min成C/Si02S 0.7，粉磨10h，中位粒徑小于2.0 μ m的碳娃質(zhì)前驅(qū)體A ;按上述方法用稻殼碳化70min制得碳娃質(zhì)前驅(qū)體B，其 C/Si02^ 0.9 ；
[0025]混料:將原料A(包含49%碳硅質(zhì)前驅(qū)體Α、40% α -氮化硅粉、6%氧化鋁及5%氧化鎂)置于球磨罐中，加入重量為上述原料總重1.5倍的乙醇進(jìn)行球磨混合，烘干后加入5% (重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，過(guò)120目篩，得到混合坯料A ;用碳硅質(zhì)前驅(qū)體Β按相同的配比得到混合坯料B;
[0026]成型:稱(chēng)量坯料A與B質(zhì)量比1:1，依次裝填，在振實(shí)臺(tái)上跳振；再將混合料在5MPa下模壓成型，得到坯體；
[0027]燒成:將坯體烘干后放入內(nèi)涂氮化硼的石墨坩禍內(nèi)，并將石墨坩禍置于高溫爐中，以10°C /min的升溫至800°C，然后在氮?dú)鈿夥占俺合乱?°C /min的升溫，分別在1400°C保溫2h，1550°C保溫2h，得到梯度多孔氮化硅陶瓷。
[0028]性能測(cè)試:采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)得其抗彎強(qiáng)度為92.20MPa，采用阿基米德排水法測(cè)得具有梯度多孔結(jié)構(gòu)的氮化硅陶瓷的氣孔率為40.86%，孔徑范圍為0.03?5 μπι。
[0029]實(shí)施例2
[0030]原料制備:稻殼采用體積分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮lh，最后用蒸餾水清洗5次，烘干后裝入匣缽中在540°C下碳化50min成C/Si02S 1.2，粉磨10h，中位粒徑小于2.0 μ m的碳娃質(zhì)前驅(qū)體A ;按上述方法用稻殼碳化40min制得碳娃質(zhì)前驅(qū)體B，其 C/Si02S 1.5 ;
[0031]混料:將原料A (包含86%碳硅質(zhì)前驅(qū)體A、5% α -氮化硅粉、5%氟化鈉、2%氧化鋁及2%氧化鎂)置于球磨罐中，加入重量為上述原料總重1.5倍的乙醇進(jìn)行球磨混合，烘干后加入5% (重量比)聚乙烯醇溶液，研磨造粒，過(guò)120目篩，得到混合坯料A ;用碳硅質(zhì)前驅(qū)體B按相同的配比得到混合坯料B ;
[0032]成型:稱(chēng)量稱(chēng)量坯料A與B質(zhì)量比2:1，依次裝填，在振實(shí)臺(tái)上跳振；再將混合料在20MPa下模壓成型，得到坯體；
[0033]燒成:將坯體烘干后放入內(nèi)涂氮化硼的石墨坩禍內(nèi)，并將石墨坩禍置于高溫爐中，以10°C /min的升溫至800°C，然后在氮?dú)鈿夥占俺合乱?°C /min的升溫，分別在1400°C保溫2h，1550°C保溫2h，得到梯度多孔氮化硅陶瓷。
[0034]性能測(cè)試:采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)得其抗彎強(qiáng)度為91.30MPa，采用阿基米德排水法測(cè)得具有梯度多孔結(jié)構(gòu)的氮化硅陶瓷的氣孔率為41.92%，孔徑范圍為0.05?8 μπι。
[0035]實(shí)施例3
[0036]原料制備:棉桿采用體積分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液浸泡至完全浸透再沸煮lh，最后用蒸餾水清洗5次，烘干后裝入匣缽中在540°C下碳化150min成C/Si02S 0.5，粉磨10h，中位粒徑小于2.0 μπι的碳娃質(zhì)前驅(qū)體Α ;按上述方法用稻殼碳化90min制得碳娃質(zhì)前驅(qū)體B，其 C/Si02S0.5 ；
[0037]混料:將原料A(包含46%碳硅質(zhì)前驅(qū)體Α、45% α -氮化硅粉、5%氟化鈉、2%氧化鋁及2%氧化鎂)置于球磨罐中，加入重量為上述原料總重1.5倍的乙醇進(jìn)行球磨混合，烘干后加入