SiC泡沫陶瓷的全面制备方法

标签:SiC碳化硅
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       碳化硅泡沫陶瓷具有材料强度高、孔隙率高、工艺简单等特点,适用于铸灰铁、球墨铸铁、铸铜及合金的高温熔融过滤,可以简化浇注系统、提高浇注效率;有效去除微小夹渣,净化金属熔液;对金属液进行整流,消除气孔;均匀金属熔液,改善铸件的加工性能,是提高铸件质量的首选材料。

 

       泡沫陶瓷是一种形貌上像泡沫状的多孔陶瓷,它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后,最近发展起来的第三代多孔陶瓷产品。目前制备泡沫陶瓷的材质主要有ZrO2、Si3N4、Al2O3、SiC等,最常见的是SiC泡沫陶瓷,是目前应用最有前景的无机高温材料。

 

       1.碳化硅泡沫陶瓷的性能特点

 

       对于碳化硅泡沫陶瓷,其发展始于20世纪70年代。作为一种内部结构中有很多孔隙的新型无机非金属过滤材料,碳化硅泡沫陶瓷具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点。在冶金、化工、环保、能源、生物等领域具有广泛的应用前景。

 

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       (1)碳化硅泡沫陶瓷的烧结可在常压空气下烧结致密,不需要高压以及惰性气氛即可达到致密化,使企业生产成本降低。

 

       (2)通常添加合适的烧结助剂降低碳化硅泡沫陶瓷的烧结温度,在常压烧结时可减少泡沫陶瓷表面的SiC的氧化,改善泡沫陶瓷的综合性能。

 

       (3)碳化硅泡沫陶瓷在过滤液体使用中不易被酸碱腐蚀,不会对过滤的金属液体造成污染,并且使用后可通过水及气体进行反冲洗,使过滤器可二次利用且不会降低过滤效率,大幅降低企业成本。

 

       (4)泡沫碳化硅陶瓷材料的成型加工性能也较好,金刚石刀具可方便地将其切断,需要研磨时可用金刚砂轮。通过改变加工条件可以简单地将泡沫碳化硅陶瓷加工成所需要的形状。

 

       2.碳化硅泡沫陶瓷的制备

 

  • 有机泡沫浸渍工艺

 

       有机泡沫浸渍法是Schwartzwalder和Somers在1963年发明的,其特别之处在于,它借助有机泡沫独特的三维开孔网状骨架,将制备好的浆料均匀地涂覆在有机泡沫网状骨架结构上形成泡沫预制体,通过室温干燥使在泡沫骨架筋上的浆料更加牢固,再无压烧掉有机泡沫体而获得一种结构类似泡沫结构的泡沫陶瓷。

 

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       优点:可制得高孔隙率制品,气孔连通性好。

 

       缺点:无小孔,制品形状受限,成分密度不易控制。

 

  • 发泡法

 

发泡法是通过在陶瓷原材料中加入一定比例的发泡剂,在干燥和烧结的过程中,经过一系列物理化学反应,产生挥发性的气体,从而在陶瓷中生成很多大大小小的孔状结构,形成复杂形状的泡沫陶瓷。

 

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       优点:适合闭气孔制品,气孔率高、强度高。

 

       缺点:对原料要求高,工艺条件不易控制。

 

  • 添加造孔剂法

 

       添加造孔剂法是将造孔剂加入陶瓷配料中,在坯体孔隙中让造孔剂占据一定的空间,再经过烧结,然后造孔剂离开坯体,原来所占据的空间就变成了气孔,以此来制备碳化硅泡沫陶瓷。

 

       优点:制品形状复杂,孔结构多。

 

       缺点:气孔分布不均匀,制品气孔率较低。

 

  • 液相渗硅法

 

       液相/气相渗硅法是在高温下将含有Si的液相或气相前驱体,如熔融Si、SiO2溶胶、Si蒸气和气相SiO渗入到木炭模板中,经高温反应形成SiC泡沫陶瓷。

 

       优点:成本低,可以获得低密度的SiC复合材料,力学性能较好,可实现净尺寸成型。

 

       缺点:需要较高的温度和较长的反应时间。

 

  • 溶胶-凝胶法

 

       溶胶-凝胶合成泡沫陶瓷工艺是指在凝胶化过程中胶体颗粒通过堆积以及凝聚的方式生成微气孔,形成孔隙尺寸可调整、类似泡沫结构形状的陶瓷制品。

 

       优点:用于微孔制品和薄膜,气孔分布均匀。

 

       缺点:生产率低,工艺条件难以掌握。

 

  • 冷冻干燥法

 

       其原理是将含有陶瓷粒子的浆料进行冷冻,在一定的冷冻温度下,使冰晶沿着枝晶区域的方向生长,形成冰晶在相同尺度上的微结构,经真空干燥后,冰晶升华去除,留下的孔洞保持冰晶形态,从而获得宏孔和微孔复合的多孔陶瓷材料。

 

       优点:可制得复杂孔结构,采用水基浆料。

 

       缺点:低温经行,对冷冻速度敏感。

 

  • 其他方法

 

       如颗粒堆积法、生物模板法。近年来,国内外学者采用有机先驱物涂覆在有机泡沫体的表面的方法制备碳化硅泡沫陶瓷。

 

       上述碳化硅泡沫陶瓷制备方式各具优缺点,目前研究最多,应用(工业)最广的是有机前驱体浸渍工艺与发泡凝胶法。

 

       3.碳化硅泡沫陶瓷的应用

 

  • 催化剂载体

 

碳化硅泡沫陶瓷具有较高的孔隙率、热导率和机械强度、抗氧化、耐腐蚀等优势,其表面凹凸不平,且具有众多微孔,这种特殊网络结构大大增加了两相接触面积,所有这些特性预示着碳化硅泡沫陶瓷将代替传统的二氧化硅、氧化铝陶瓷以及活性炭作为新一代的催化剂载体。

 

  • 过滤器

 

碳化硅泡沫陶瓷的压力损失低、耐热性、耐热冲击性以及油烟捕集效率高等特性,使其很有希望成为柴油机引擎油烟收集器用过滤器。

 

  • 生物学中的应用

 

       碳化硅泡沫陶瓷材料具有良好的生物相容性及孔径可控特性,可以使其用于复杂外形和长段承重骨缺损修复。

 

  • 吸声材料

 

       碳化硅泡沫陶瓷因其具有独特的网状结构,可被用在吸声减噪方面。

 

  • 化工领域的应用

 

       碳化硅泡沫陶瓷可以应用于泡沫结构填料、泡沫规整填料,还可用作泡沫塔盘。可用于化工行业中蒸汽发生器、高压绝热燃烧器、辐射燃烧器等,大大提高了传热系数,强化了燃烧过程。

 

  • 其他应用

 

       碳化硅泡沫陶瓷还可应用于电子部件热处理用材料、流动床底板、加湿器、沸水器、微生物载体等领域。

       本文部分内容来自中国粉体网。

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