碳化硅多孔陶瓷制备工艺研究

摘 要：多孔碳化硅陶瓷的耐磨性、高温强度、抗热震性以及耐腐蚀性与传统陶瓷相比有着明显的优势，因此引起了广泛的关注。随着现代科技的不断发展，此类材料广泛应用于过滤分离、环境保护、吸声降噪、航空航天、生物医学和能源化工等各个领域。本文结合笔者工作经验，对比多孔碳化硅陶瓷传统制备和现代制备工艺，对相关制备工艺作出展望。

关键词：碳化硅；多孔陶瓷；制备工艺；

中图分类号： TM281+.1 文献标识码：A 文章编号：

一、传统工艺制备

（一）有机泡沫浸渍法应用

该项制备工艺以有机泡沫为骨架，完成浸浆、干燥工序后，经过高温烧制完成。有机物在陶瓷烧制的过程中挥发，留下网络结构的陶瓷体。这项工艺的特殊之处在于制备好的浆料能够均匀地覆盖在开孔三维网状骨架机构的有泡沫体上，经过干燥烧制后，有机泡沫层消失，留下网眼型的孔隙。设备少、工艺过程简单、成本低是该项制备工艺的优点。这种工艺烧制出来的陶瓷孔隙度高且气孔之间相互贯通，工业化生产应用广泛。水基浆料的应用既满足了现代环保制作要求，同时也降低了制作成本。

但这种制造工艺也存在一定缺陷，由于水基浆料和有机泡沫材料的兼容性不够，制品强度无法保证。要想改善碳化硅泡沫陶瓷的力学性能，减少挂浆陶瓷胚体在加工过程中出现涂盖不均和孔筋的现象发生，可以通过液相渗硅、增加挂浆量或改进烧成工艺实现。挂浆量的增加可以在陶瓷浆料中添加粘结剂、分散剂、流变剂、浆料表面活性剂等一系列添加剂来增加有机泡沫的粘附性能。

（二）造孔剂添加法应用

这种工艺在陶瓷配料中加入造孔剂，造孔剂占据胚体孔隙中占据一定空间，烧结工序完成后，造孔剂脱离胚体，原先占据的空间形成气孔，为碳化硅泡沫陶瓷的制备做好准备。这项工艺的优点在于，通过温度和时间的改变可控制调整产品的强度和空隙率。普通工艺烧制时，烧成温度过高时，形成液增多，闭口气孔增加，孔隙率过低，达不到要求；烧制温度过低时，液相量减小，产品强度无法满足要求。造孔剂添加法的应用则可以避免这些现象的发生，孔隙率也控制在50%以下。这种制造工艺的缺点有：1、对造孔剂分散性要求较高；2、产品的气孔率不高；3、孔径大小、分布控制效果较差。

造孔剂主要有无机和有机两种，无机造孔剂主要是各种铵盐，或是可以在高温下分解的盐类。有机造孔剂则主要是天然纤维、高分子聚合物以及有机酸等，像尿素、聚苯乙烯和聚丙烯醇等。其中，淀粉是常用的有机造孔剂。通过烧制实验结果可知，淀粉量越大，碳化硅多孔陶瓷的强度和密度越小，气孔直径越大，气孔率增大。造孔添加剂分量的多少对产品物组组成基本不造成影响。

二、先进工艺制备

（一）流延成型工艺应用

陶瓷泥浆在刮刀的作用下，可在平面延展呈片状，再对其陶瓷坯体塑性的方法称之为流延成型工艺。通过粘结剂、增塑剂、悬浮剂以及溶剂添加混合构成水溶液或污水溶液，原先细分散的陶瓷粉料悬浮状变为可流动且可塑性强的料浆。流经经过刮刀，料浆在流延机运输带上直接形成薄层坯带。坯带流动的过程中，溶剂逐渐挥发，固定微粒聚集，形成质地密致且柔软的坯带，经过冲压处理后，形成固定形状的坯体。流延成型工艺与传统制备工艺相比较而言，具有投入费用小、设备简单、生产效率高等优点。

（二）化学气相渗透工艺应用

化学气相沉积是该项工艺的技术原理，基底物质（碳基底居多）与沉积物发生化学反应，经过烧制后制备成多孔陶瓷材料。以化学气相沉积工艺为基础，在经过一系列的实验、改进，再研究出化学气相渗透制备工艺。通过近几十年的发展，化学气相淀积已广泛应用于新晶体研制、物质提纯、多种玻璃态或单、多晶体无机薄膜材料淀积等行业。该项工艺有产品孔隙度、密度可调控；低密度、高强度且形状复杂多孔碳化硅陶瓷制备的优点。产品密度可控制在1.3g/cm?，孔隙度则可达到65%到80%，这类低密度高孔隙率的产品是传统工艺制备很难生产出来的。

（三）冷冻干燥工艺应用

定向冷冻干燥工艺可以制备微观形貌精细、外形复杂的多孔陶瓷材料，属于湿法成型工艺的一种。通过控制有机溶剂或水在一定方向上冻结形成排列整齐的溶液晶体，再在低压状态下干燥升华为游模板或冰，最后通过高温烧结，得到多孔陶瓷成品。成本费用少、孔道结构精确可调、适用范围广泛、力学性能较佳是该制备工艺的优点。但我国的机械设备和制备技术相对于发达国家而言还是处于之后状态，因此该项技术应用的发展或多或少受到了限制。

三、未来展望及总结

多孔碳化硅陶瓷由于具备优越的耐磨性、高温强度、抗热震性以及耐腐蚀性而受到了各大制造行业的广泛关注，已有多种领域离不开这一新型材料的应用。而传统碳化硅泡沫陶瓷制备技术用时长、工艺复杂、产品杂质占比大、烧结温度高、成品性能不稳定等因素制约了该项材料的应用发展。相比之下，新型碳化硅泡沫陶瓷的制备有着产品性能稳定、工艺要求简单等优点，烧结过程中仍需要较高温度。工艺发展的过程中，还存在像孔径大小、形状及分布控制困难、制备纳米级微孔碳化硅陶瓷标准无法达到、生产成本费用较高等亟待解决的问题。就当前形势来看，我们应该将重点放在孔径大小控制、孔径分布控制、低温烧制三个方面作出研究，从而实现生产成本降低、生产工艺简化、生产质量提高的生产目标，树立规模化、产业化的发展目标，进而全面推动陶瓷行业的蓬勃发展。

参考文献：

[1]徐照芸，罗民，王怀昌，梁斌，宋伟明. 水基冷冻干燥工艺制备层状结构多孔SiC陶瓷[J]. 硅酸盐通报. 2011（03）

[2]王海龙，石广新，张锐，王西科，谷慧华，卢红霞. 流延成型法制备SiC多孔陶瓷工艺的研究[J]. 陶瓷学报. 2004（01）

[3]戴培S，周平，王泌宝，李晓丽，杨建锋. 碳化硅致密陶瓷材料研究进展[J]. 中国陶瓷. 2012（04）

[4]赵宏生，刘中国，杨阳，刘小雪，张凯红，李自强. 基于包混和复合添加工艺的多孔碳化硅陶瓷的制备和性能（英文）[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011（06）

[5]钱军民，催凯，艾好，金志浩. 多孔陶瓷制备技术研究进展[J]. 兵器材料科学与工程. 2005（05）

[6]杨涵崧，朱永长，李慕勤，吕迎. 多孔陶瓷材料的研究现状与进展[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版）. 2005（01）