一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷及其制备方法，该制备方法包括球磨碳纤维，预制碳纤维，配制先驱体浆料，然后经过加热搅拌、冷冻、真空冷冻干燥，热氧化固化，最后经过热解、脱碳处理得到高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷。该制备方法通过引入中空多孔SiC纤维做为孔壁单元，在保证多孔功能性和不降低多孔SiC孔隙率的前提下，提高多孔材料的抗压强度，解决了目前多孔SiC陶瓷在高孔隙率下压缩性能较低的缺点，并在一定程度上降低其热导率，制备得到的多孔SiC陶瓷在航空航天隔热材料领域具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷具有密度小、机械性能高、化学稳定性好等特点，因而在飞机、火箭、机械、矿业、热工、冶金、个体防护等领域被广泛应用。目前碳化硅陶瓷的应用环境相对严苛，因此对其制备工艺也提出了更高要求。其中，航空航天用飞行器在飞行过程中要承受长时间的气动加热，导致表面摩擦生热产生高温，为保证飞行器运行结构及内部仪器的安全，需要利用高效隔热材料阻止外部热流向飞行器内部扩散。多孔SiC陶瓷材料具有低密度、高抗热震性、高化学稳定性等优点，是一种理想的轻质高效隔热材料。

目前制备多孔SiC陶瓷的工艺有：模板法、气体发泡法、冷冻干燥法。轻质、高孔隙率和高强度往往是多孔陶瓷追求的目标，而利用这些工艺制备的多孔陶瓷，高孔隙率很少与高强度结合。因此，需要提供一种保证多孔陶瓷孔隙率的同时，提升其材料强度的制备方法。

在多孔陶瓷材料的设计中，利用纤维材料补强增韧是提升陶瓷材料断裂韧性的的有效方式。其中，中空纤维不仅可以提升陶瓷材料强度，而且可以提升材料的比表面积以降低热导率。因此，探究一种高孔隙率、高强度、低导热率的多孔SiC陶瓷的制备方法具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷及其制备方法，解决现有技术制备的高孔隙率多孔SiC陶瓷抗压强度低的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，球磨碳纤维：

选取商用碳纤维，将商用碳纤维与无水乙醇置于球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行球磨处理，得到稳定的混合浆料；

步骤2，预制碳纤维：

将步骤1制得的混合浆料置于培养皿中，使混合浆料中的无水乙醇在空气中挥发，随即得到预制碳纤维；

步骤3，配制先驱体浆料：

将室温下结晶的莰烯置于烧杯中，将烧杯置于水浴搅拌锅中，温度保持在60-80℃，使莰烯转化成液体状，做为溶剂，随后加入聚碳硅烷粉末和预制碳纤维，混合得到先驱体浆料，共配制n≥2组先驱体浆料，标记为T

步骤4，加热搅拌：

将步骤3配制的先驱体浆料在60-80℃下搅拌3-6h，得到均匀的混合先驱体浆料；

步骤5，冷冻：

将步骤4得到的先驱体浆料进行超声处理除去其中的气泡后，进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上，冷冻模具共n≥2组，分别标记为M

步骤6，真空冷冻干燥：

将步骤5得到的圆柱状复合冻结体F

步骤7，热氧化固化：

将步骤6得到的多孔坯体在空气中进行180-200℃下1.5-2h的固化处理，使其内部形成交联的三维网络状结构以实现步骤6制得的多孔坯体的不熔化；

步骤8，热解：

将步骤7制备的固化后的多孔坯体置于真空管式炉中，在Ar气保护条件下1000-1600℃热解1-2h，得到碳纤维增强多孔SiC陶瓷；

步骤9，脱碳处理：

将步骤8制备的碳纤维增强多孔SiC陶瓷置于箱式炉中，于350-600℃热处理1-2h，使碳纤维脱离出多孔SiC陶瓷，从而得到高孔隙率、高强度、低导热率的多孔SiC陶瓷。

进一步地，步骤1所述商用碳纤维直径Dn＝0.2-5μm，长度Ln＝20-100μm。

进一步地，步骤1所述球磨机的转速为300r/min，球磨时间为12h-24h。

进一步地，步骤3中所述莰烯取10g，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的总添加量为莰烯添加量的10-20vol％，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的体积比为2:1。

进一步地，步骤5中所述定向冷冻温度为-40～-20℃；冷冻模具为内径10mm，高度15mm的圆柱形石英管，冷冻时间t≥1h，底部冷源为导热铜板。

一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷，所述高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷采用如本申请所述的方法制备而成。

本发明的有益效果是：

通过引入中空多孔SiC纤维做为孔壁单元，在保证多孔功能性和不降低多孔SiC孔隙率的前提下，提高多孔材料的抗压强度，解决了目前多孔SiC陶瓷在高孔隙率下压缩性能较低的缺点，并在一定程度上降低其热导率，在航空航天隔热材料领域具有广泛的应用前景。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。

一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，球磨碳纤维：

选取商用碳纤维，直径Dn＝0.2-5μm，长度Ln＝20-100μm，将商用碳纤维与无水乙醇置于球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行球磨处理，得到稳定的混合浆料；

步骤2，预制碳纤维：

将步骤1制得的混合浆料置于培养皿中，使浆料中的无水乙醇在空气中挥发，随即得到长度＜Ln的预制碳纤维；

步骤3，配制先驱体浆料：

将室温下结晶的莰烯取10g置于烧杯中，将烧杯置于水浴搅拌锅中，温度保持在60-80℃，使莰烯转化成液体状，做为溶剂，随后加入聚碳硅烷粉末与预制碳纤维，两者总添加量为莰烯添加量的10-20vol％，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的体积比为2:1，混合得到先驱体浆料，共配制n≥2组先驱体浆料，标记为T

步骤4，加热搅拌：

将步骤3准备的先驱体浆料在60-80℃下搅拌3-6h，得到均匀的混合先驱体浆料；

步骤5，冷冻：

将步骤4得到的先驱体浆料进行超声处理出去其中的气泡后，进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上。冷冻模具共n≥2组，分别标记为M

步骤6，真空冷冻干燥：

将步骤5得到的圆柱状复合冻结体F

步骤7，热氧化固化：

将步骤6得到的多孔坯体在空气中进行180-200℃下1.5-2h的固化处理，使其内部形成交联的三维网络状结构以实现步骤6制得的多孔坯体的不熔化；

步骤8，热解：

将步骤7制备的固化后的多孔坯体置于真空管式炉中，在Ar气保护条件下1000-1600℃热解1-2h，得到碳纤维增强多孔SiC陶瓷；

步骤9，脱碳处理

将步骤8制备的碳纤维增强多孔SiC陶瓷置于箱式炉中，于350-600℃热处理1-2h，使碳纤维脱离出多孔SiC陶瓷，从而得到高孔隙率、高强度、低导热率的多孔SiC陶瓷。

实施例1

一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，球磨碳纤维：

选取商用碳纤维，直径Dn＝0.2μm，长度Ln＝20μm；将商用碳纤维与无水乙醇置于球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行12h的球磨处理，球磨机的转速为300r/min，得到稳定的混合浆料。

步骤2，预制碳纤维：

将步骤1制得的混合浆料置于培养皿中，使浆料中的无水乙醇在空气中挥发，随即得到长度＜Ln的预制碳纤维；

步骤3，配制先驱体浆料：

将室温下结晶的莰烯取10g置于烧杯中，将烧杯置于水浴搅拌锅中，温度保持在60℃，使莰烯转化成液体状，做为溶剂，随后加入0.6g的碳硅烷粉末和0.4g步骤2制得的预制碳纤维，混合得到先驱体浆料，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的总添加量为莰烯添加量的10％，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的体积比为2:1；

步骤4，加热搅拌：

将步骤3准备的先驱体浆料在60℃下搅拌3h，得到均匀的混合先驱体浆料；

步骤5，冷冻：

将步骤4得到的先驱体浆料进行超声处理出去其中的气泡后，进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上，冷冻模具共n≥2组，分别标记为M

步骤6，真空冷冻干燥

将步骤5得到的圆柱状复合冻结体F

步骤7，热氧化固化

将步骤6得到的多孔坯体在空气中进行180℃下1.5的固化处理，使其内部形成交联的三维网络状结构以实现步骤6制得的多孔坯体的不熔化；

步骤8，热解：

将步骤7制备的固化后样品置于真空管式炉中，在Ar气保护条件下1000℃热解1h，得到碳纤维增强多孔SiC陶瓷；

步骤9，脱碳处理：

将步骤8制备的碳纤维增强多孔SiC陶瓷置于箱式炉中，于600℃热处理1h，使碳纤维脱离出多孔SiC陶瓷，从而得到高孔隙率、高强度。低导热率的多孔SiC陶瓷。

实施例2

一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，球磨碳纤维：

选取商用碳纤维，直径Dn＝5μm，长度Ln＝100μm；将商用碳纤维纤维与无水乙醇置于球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行24h的球磨处理，球磨机的转速为300r/min，得到稳定的混合浆料；

步骤2，预制碳纤维：

将步骤1制得的混合浆料置于培养皿中，使浆料中的无水乙醇在空气中挥发，随即得到长度＜Ln的预制碳纤维；

步骤3，配制先驱体浆料：

将室温下结晶的莰烯取10g置于烧杯中，将烧杯置于水浴搅拌锅中，温度保持在80℃，使莰烯转化成液体状，做为溶剂，随后加入0.865g的碳硅烷粉末和0.635g步骤2制得的预制碳纤维，混合得到先驱体浆料，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的总添加量为莰烯添加量的15vol％，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的体积比为2:1；

步骤4，加热搅拌：

将步骤3准备的先驱体浆料在80℃下搅拌6h，得到均匀的混合先驱体浆料；

步骤5，冷冻:

将步骤4得到的先驱体浆料进行超声处理出去其中的气泡后，进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上,冷冻模具共n≥2组，分别标记为M

步骤6，真空冷冻干燥：

将步骤5得到的圆柱状复合冻结体F

步骤7，热氧化固化：

将步骤6得到的多孔坯体在空气中进行200℃下2h的固化处理，使其内部形成交联的三维网络状结构以实现步骤6制得的多孔坯体的不熔化；

步骤8，热解：

将步骤7制备的固化后的多孔坯体置于真空管式炉中，在Ar气保护条件下1600℃热解2h，得到碳纤维增强多孔SiC陶瓷；

步骤9，脱碳处理：

将步骤8制备的碳纤维增强多孔SiC陶瓷置于箱式炉中，于450℃热处理2h，使碳纤维脱离出多孔SiC陶瓷，从而得到高孔隙率、高强度。低导热率的多孔SiC陶瓷。

实施例3

一种高孔隙率高强度低导热率多孔SiC陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，球磨碳纤维：

选取商用碳纤维，直径Dn＝2μm，长度Ln＝50μm，将纤维与无水乙醇置于球磨罐中，在滚筒式球磨机中进行22h的球磨处理，球磨机的转速为300r/min，得到稳定的混合浆料；

步骤2，预制碳纤维：

将步骤1制得的混合浆料置于培养皿中，使浆料中的无水乙醇在空气中挥发，随即得到长度＜Ln的预制碳纤维；

步骤3，配制先驱体浆料

将室温下结晶的莰烯取10g置于烧杯中，将烧杯置于水浴搅拌锅中，温度保持在70℃，使莰烯转化成液体状，做为溶剂，随后加入1.154g的碳硅烷粉末和0.836g步骤2制得的预制碳纤维，混合得到先驱体浆料，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的总添加量为莰烯添加量的20vol％，聚碳硅烷粉末与预制碳纤维的体积比为2:1；

步骤4，加热搅拌：

将步骤3准备的先驱体浆料在70℃下搅拌4h，得到均匀的混合先驱体浆料；

步骤5，冷冻：

将步骤4得到的先驱体浆料进行超声处理出去其中的气泡后，进行冷冻处理，冷冻采用定向冷冻，采用冷冻模具冷冻，冷冻模具的侧壁为管状保温材料，底面为导热金属，冷冻方向为垂直于地面向上，冷冻模具共n≥2组，分别标记为M

步骤6，真空冷冻干燥：

将步骤5得到的圆柱状复合冻结体F

步骤7，热氧化固化：

将步骤6得到的多孔坯体在空气中进行190℃下1.6h的固化处理，使其内部形成交联的三维网络状结构以实现步骤6制得的多孔坯体的不熔化；

步骤8，热解：

将步骤7制备的固化后的多孔坯体置于真空管式炉中，在Ar气保护条件下1500℃热解1.5h，得到碳纤维增强多孔SiC陶瓷；

步骤9，脱碳处理：

将步骤8制备的碳纤维增强多孔SiC陶瓷置于箱式炉中，于350℃热处理1.5h，使碳纤维脱离出多孔SiC陶瓷，从而得到高孔隙率、高强度。低导热率的多孔SiC陶瓷。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。