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多孔碳化硅既有多孔陶瓷密度低、渗透率高、比表面积大的特性,也有碳化硅高温强度高、热膨胀系数低、耐化学腐蚀性好的优点,可以用作金属液过滤器、催化剂载体、陶瓷膜支撑体和金属/陶瓷复合材料的骨架等,主要取决于其微结构(孔隙率、孔径、孔间连通性等)与组成。本文以SiC粉为主要原料,B4C-C为烧结助剂,通过发泡法或乳液模板法结合凝胶注模工艺制备具有好的高温强度、优异化学稳定性的多孔固相烧结碳化硅陶瓷,同时改变工艺参数对微结构进行调控,并深入探讨微结构对性能的影响。 在发泡法-凝胶注模工艺制备多孔碳化硅的过程中,我们首先以四甲基氢氧化铵作为SiC粉与B4C的分散剂,聚乙烯吡咯烷酮为炭黑的分散剂,在pH=10的条件下,制备出了稳定的SiC-B4C-C浆料,并对浆料的流变特性、发泡及固化行为进行了研究。接着,将固化后得到的湿泡沫进行干燥、烧结得到多孔碳化硅陶瓷。在典型试样中,气孔均为球形孔,孔径为40-200μm,平均孔径为~100μm,孔壁致密且厚度为~10μm,气孔间有“窗户”。最后,通过固含量与发泡剂量的改变对微结构进行调控,随着固含量减小或发泡剂量增加,孔隙率增加,孔径变大,孔间窗口数增加且尺寸变大,孔间连通性得到改善。 针对单一发泡法制得的多孔碳化硅孔间连通性与孔隙率有限的问题,通过引入颗粒堆积或固态造孔剂进行复合造孔,在气泡孔的孔壁上额外引入气孔。在发泡法-固态造孔剂复合造孔的制备过程,以PS球为固态造孔剂,随着PS球体积的增加,浆料粘度明显降低,发泡效率提高,孔隙率显著升高,高达89.5%,并在气泡孔的孔壁上引入大量~10μm的小孔,气孔间连通性得到明显改善。在发泡法-颗粒堆积复合造孔的实验中,引入5μm的粗粉,粗粉的引入使浆料粘度明显降低,气泡孔与窗口尺寸增加,同时孔壁上的部分烧结产生大量<5μm的气孔,进一步增加孔隙率,显著地改善连通性。 在上述微结构调控的基础上,我们对发泡法及其复合造孔制备的多孔碳化硅的性能进行系统研究,探讨了微结构与性能之间的关系。对于单一发泡法制备的孔隙率为49-68%的多孔碳化硅陶瓷,其耐压强度为41-151MPa,随着孔隙率的增加而下降。引入固态造孔剂或颗粒堆积造孔后,由于孔隙率的升高,强度略有下降;但对于孔隙率高达89.5%的多孔碳化硅,其强度仍可高达2.2MPa。多孔碳化硅在低孔隙率下表现为脆性断裂;在中高孔隙率下表现为渐进式断裂;在高孔隙率下,除前期的渐进式断裂之外,后期还存在碎裂压实现象。气孔的引入可以提高材料的可靠性,多孔体中个别大尺寸气孔是强度呈现离散性的主要原因。多孔碳化硅的弹性模量随着孔隙率的增加,明显减小。热导率随着孔隙率的增加而降低,对于孔隙率为89.5%多孔碳化硅,其热导率低至2.08W/(m· K)。粗粉引入后,热导率略增加。以纯细粉为原料制备的多孔碳化硅的热膨胀系数受孔隙率影响较少,与致密碳化硅的膨胀系数相似;但当引入大量粗粉后,热膨胀系数增加。对于单一发泡法制备多孔碳化硅陶瓷,其渗透性能随着孔隙率的增加而明显改善,最高渗透率为5.89×10-12m2。颗粒堆积与固态造孔机制的引入明显改善多孔陶瓷的渗透性能;当引入60wt.%粗粉后,渗透率可高达17.82×10-12m2;引入60vol.%的PS球后,渗透率高达91.99×10-12m2。多孔固相烧结碳化硅陶瓷具有优异的耐酸碱腐蚀性,明显优于氧化物结合的多孔碳化硅陶瓷。 在乳液模板法-凝胶注模工艺制备多孔碳化硅的过程中,我们首先以吐温80为乳化剂、环己烷为油相,在pH=10时得到了稳定SiC-B4C-C乳化浆料。乳化浆料快速固化后,经干燥、烧结得到不同形状尺寸的多孔碳化硅陶瓷。在典型烧结试样中,孔径为2-11μm,平均孔径为~5.6μm;孔间呈现出良好的连通结构,存在1-3μm的窗口;孔壁由大量1-2μm的晶粒结合而成。接着,通过改变乳化剂量、油相量、固含量与粗粉加入量等参数对多孔陶瓷的微结构进行调控。乳液法制得的多孔碳化硅陶瓷的密度为0.93-1.79g/cm3,相应的孔隙率为70.7-43.3%。最后研究了乳液模板法制得的多孔碳化硅陶瓷的性能,其耐压强度为10-199MPa,弹性模量为5.2-103.6GPa,热导率在4.70-10.30 W/(m·K)之间。多孔碳化硅的气体渗透率为0.09-0.96×10-1210-12 m2。渗透性能除受孔隙率影响外,也明显受孔径影响,孔径小,气体渗透率显著减小;同时粗粉的引入使得渗透性能得到明显改善,粗粉加入量越多,渗透性能越好。