凝胶注模法制备碳化硅多孔陶瓷及其性能研究

作     者：田超 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖汉宁;舒阳会

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：碳化硅 多孔陶瓷 凝胶注模 表面改性 Isobam 

摘      要：碳化硅(SiC)多孔陶瓷具有良好的高温稳定性、较低的热膨胀系数、较高的热导率和良好化学稳定性等优良特性,被广泛用于高温烟气除尘净化、强酸碱性污水的过滤分离和微反应器催化反应等领域,在苛刻的使用环境中能保持良好的性能和较长的使用寿命,是气体过滤膜与水过滤膜支撑体以及微反应器催化剂载体的良好选择。凝胶注模法是一种新型的陶瓷制备工艺,能够以低成本制备近净尺寸碳化硅多孔陶瓷。但传统的凝胶注模体系往往使用有机溶剂、具有神经毒素的单体、引发剂并添加催化剂等毒性有机物,对环境造成危害。本文以一种新型的异丁烯-马来酸酐的商用水溶性共聚物(Isobam)作为凝胶剂,以表面具有功能性端基(-NH)的改性碳化硅作为原料,制备得到的浆料无需单体、引发剂与催化剂,可在室温下凝胶固化。本文首先开展了碳化硅粉体表面改性以及水基Isobam凝胶体系的凝胶固化机理研究,然后探讨了碳化硅浆料的特性并阐明了凝胶固化过程,最后研究了碳化硅生坯后处理工艺及烧结工艺,主要研究内容和研究结果如下:(1)以10000#、4000#、600#和220#碳化硅粉体为原料,对粉体进行预氧化处理,在表面形成均匀氧化层,采用硅烷偶联剂KH550、KH602和KH792对预氧化粉体进行表面改性,得到表面具有功能化端基-NH的碳化硅改性粉体,成功将碳化硅这种非氧化物陶瓷粉体用于Isobam凝胶注模体系。(2)对比了未改性碳化硅粉和表面改性碳化硅粉的胶凝特性,其中改性碳化硅制备的浆料静置不分层,且能够凝胶固化形成结构均匀的生坯,不同改性剂制备的生坯其凝胶固化时间不同,其中KH792所需时间较短。FT-IR分析表明,Isobam与改性碳化硅的凝胶固化机理除了粉体外端的-NH与Isobam分子链上-COOH发生了相互作用外,还会彼此反应形成C-N键,碳化硅表面的-OH还会与-COOH反应生成Si-O-C键,形成“粉末-分子链-粉末结构。(3)以4000#改性碳化硅为原料,TMAH为分散剂制备固含量为50vol%的浆料,当TMAH与Isobam的添加量均为1wt%时,浆料粘度低于0.5Pa·s,浆料凝胶固化后可完整脱模。以表面改性后的10000#、4000#、600#和220#SiC为主要原料,制备固含量约50vol%的生坯,研究了预氧化层厚度对不同粒径粉体凝胶固化时间的影响。随着粉体粒径的增加,凝胶固化所需的氧化层厚度增加,基本呈线性关系。(4)以4000#SiC为原料制备50vol%浆料时,在60℃干燥8h所得样品的尺寸稳定性最好。生坯的总有机物添加量为3.4wt%时,在800℃下可完全热解,在2150℃烧结保温1h,可完全去除氧化层,得到碳化硅多孔陶瓷。以4000#SiC为原料,当浆料固含量由40vol%提高至52vol%,碳化硅多孔陶瓷的孔隙率由60%下降至50%,颗粒形貌由尖锐多棱状演变为近球形。以10000#(细颗粒)和600#(粗颗粒)SiC为原料制备固含量为50vol%的碳化硅多孔陶瓷,当细颗粒由10wt%增至30wt%时,粗颗粒表面剩余的细颗粒逐渐增多,蒸发-凝聚作用虽然会消耗大多数的细颗粒,但当细颗粒的比例较高时仍会剩余细颗粒,导致孔隙率降低,密度提高。