高純碳化硅泡沫陶瓷的制備

江夏+李小燕+周耀

摘 要：本文應用有機泡沫浸漿工藝，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)點而得到廣泛的應用，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。但從嚴格意義上來說，泡沫陶瓷是專指使用聚氨脂或其它有機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去除有機載體，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。而目前應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晶鋁硅酸鹽化合物結合，形成有一定強度和致密度的陶瓷體，這種制備工藝的一個特點是在燒結過程中不收縮或僅有輕微收縮，碳化硅合量一般不超過75wt%，這對于這種制品的正常使用已經(jīng)足夠了，因為絕大多數(shù)碳化硅泡沫陶瓷在鑄造領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。而在某些領域，如：燃燒器、柴油機尾氣過濾器、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，而且往往需要長期重復使用。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期重復使用的性能。

本文選用優(yōu)質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用提供了一項選擇。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗原料

（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，作為燒結助劑。

2.2 實驗設備

本實驗使用的主要設備是氣氛燒結爐，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 實驗工藝

本實驗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（按有效硼的質量分數(shù)計算），碳化硅粉一個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

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

（3） 泡沫浸漿

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

（4） 脫脂與燒結

干燥后脫脂在氣氛爐中進行，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，在隨后的高溫燒成過程中這些殘余碳可以起到活化和助燒結作用，燒成時先抽真空，再通Ar氣，最高燒成溫度為1850～1900 ℃，保溫2 h。因為制品SiC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，整個燒成周期可縮至8 h。其燒成制度曲線如圖2所示。

2.4 測試

（1） 強度測試

測試抗壓強度，按普通泡沫陶瓷抗壓強度測試方法進行。

（2） 抗熱沖擊性測試

為驗證制品的高熱沖擊性，以水冷代替空冷來進行測試，將制品在空氣中加熱至1000 ℃后，迅速在冷水中急冷，測試之后的殘余強度。

3 實驗結果分析

3.1 配方選擇

不同孔數(shù)的有機泡沫，其聚氨脂網(wǎng)絡的粗細不同，10 PPI和30 PPI的有機泡沫網(wǎng)筋粗細有明顯區(qū)別，其掛漿性能也因此不同，需要調整漿料尤其是顆粒粒徑和濃度以適應上漿的需要。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氣高溫燒成后的泡沫陶瓷樣品性能如表2所示。

純SiC的燒結需2200～2400 ℃的高溫，這對設備要求很高，為降低燒成溫度，常用單質硼、碳化硼等為燒結助劑，同時，單質碳也可起到活化作用。SiC是強共價鍵化合物，即使有助燒結劑存在，仍需很高的溫度才能使顆粒頸部產(chǎn)生結合傳質，促進燒結。本文中燒成溫度為1900 ℃，制品泡沫陶瓷抗壓強度接近1 MPa，基本能適應大部分的應用場合，若提升燒成溫度至2000 ℃以上，有望進一步提高其強度。

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細粉，在高溫有助燒結劑存在時，產(chǎn)生傳質自結合，引起收縮，同時又由于有更多的粗粉SiC存在，這種燒成收縮遠比燒結純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燒成開裂；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，是因為其配方中顆粒略粗于1#樣品，相應強度也略低于1#樣品，但兩種樣品熱沖擊性都很高，測試后仍有95%的殘余強度。

4 結論

（1） 應用有機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使用泡沫陶瓷制品的場合提供更多選擇。

參考文獻

[1] US Patent 3090094[p].

[2] US Patent 4885263[p].