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泡沫碳化硅陶瓷材料的研究进展
2018月06月27日 发布 分类:技术前沿 点击量:98
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云南时时彩走势图 www.em06s.cn 泡沫陶瓷是一种具有均匀三维网状结构的特殊多孔陶瓷,其孔道分布均匀、气孔率高、相对密度小、比表面积大、对液体和气体介质有选择透过性,具有较好的能量吸收和阻压特性以及优良的热、电、磁、光、化学等功能。泡沫碳化硅陶瓷除了拥有多孔陶瓷的特性外,还具有碳化硅本身的耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀、热膨胀系数小、热导率大、硬度高、抗热震等优良性能以及半导体特性。目前,泡沫碳化硅陶瓷的应用已遍及冶金、化工、能源、电子、交通、机械、国防、环保、生物等多个领域。因此,泡沫碳化硅陶瓷的相关研究日益受到科学家与工程师们的广泛关注。

图一 泡沫碳化硅陶瓷


一、泡沫碳化硅陶瓷的制备

目前普遍使用的泡沫碳化硅陶瓷的制备方法有:粉末烧结法、固相反应烧结法、含硅树脂热解法以及气相沉积法。


1、粉末烧结法

粉末烧结法分为两种:一种是将含有一定量烧结助剂的碳化硅粉与黏结剂(如硅酸乙酯水解液、硅溶胶等)调和成合适浓度的料浆,然后浸挂在聚氨酯泡沫上,固化干燥后,在200600℃范围脱出黏结剂和聚氨酯泡沫。而后,将温度升高到15002200℃进行烧结便得到泡沫状的碳化硅陶瓷;另一种方法是将含烧结助剂的碳化硅粉与株状发泡剂均匀混合后,用模压或浇注方法成型。通过熔化或气化脱出发泡剂,然后进行高温烧结以获得泡沫状碳化硅陶瓷。


2、固相反应烧结法

固相反应烧结法是将株状发泡剂与硅粉和碳粉均匀混合成型。通过熔化或气化脱出发泡剂,经过高温反应烧结后即获得泡沫状碳化硅陶瓷。


3、含硅树脂法

含硅树脂热解法是将有机硅前体制成高分子凝胶,脱出凝胶中的有机溶剂后得到泡沫状的含硅树脂,经充分氧化后进行热解即得到泡沫状碳化硅陶瓷。其独特之处在于它将制备好的浆料均匀地涂覆在具有三维网状骨架特殊结构的有机泡沫网状体上,烧掉有机泡沫后获得的孔隙是网眼型的。其孔径尺寸主要取决于有机泡沫体的孔径尺寸与涂覆厚度。


4、气相沉积法

气相沉积法是利用化学气相沉积法将碳化硅沉积到网状碳纤维编织体上而获得泡沫状碳化硅陶瓷。将原料渗透沉积到编织好的碳纤维骨架或有机泡沫形成的网眼多孔碳骨架上,涂层的厚度为1001000 μm。通过控制沉积的速度和时间来控制陶瓷最终的结构和性能。


二、泡沫碳化硅陶瓷的特征

泡沫碳化硅陶瓷连通的空间网状结构、较高的气孔率以及较好的透气性能使其不论在单相或两相逆流操作状态下都具有较低的压降。


泡沫碳化硅陶瓷材料具有较好的抗氧化特性,这与碳化硅的化学稳定性有密切关系。裸露在最外层的碳化硅很容易被氧化,生成的二氧化硅在材料外表面形成一层薄膜,能防止内部碳化硅被进一步氧化。


泡沫碳化硅陶瓷材料还具有微波吸收特性。利用有限元素法分析泡沫碳化硅、块状碳化硅和碳化硅颗粒的电磁波吸收特性发现,泡沫碳化硅吸收电磁波的能力远高于后两者。


泡沫碳化硅陶瓷材料的电阻率较低,通过改变制作工艺条件,可以从5×10-2 ?·cm 变化至 5×104?·cm,这是其它泡沫陶瓷所没有的特性。


泡沫碳化硅陶瓷材料的成型加工性能也较好,金刚石刀具可方便地将其切断,需要研磨时可用金刚砂轮。通过改变加工条件可以简单地将泡沫碳化硅陶瓷加工成所需要的形状。泡沫碳化硅陶瓷还可与金属可靠连接,使其应用更加便捷。总之,泡沫碳化硅陶瓷的原料来源广泛,制备成本低,比金属材料的制备过程更为环保,节能减排方面具有很大优势,所以其具有较好的技术经济性。


三、泡沫碳化硅陶瓷的应用

随着泡沫碳化硅制备工艺技术的不断改进与创新,优越的性能将使其应用范围逐渐扩大、样式更加多元化。在许多应用领域,泡沫碳化硅陶瓷材料日益展现出其它材料所无法比拟的优越性。


1、催化剂载体

泡沫碳化硅陶瓷具有较高的孔隙率、热导率和机械强度、抗氧化、耐腐蚀等优势,其表面凹凸不平,且具有众多微孔,这种特殊网络结构大大增加了两相接触面积,所有这些特性预示着泡沫碳化硅陶瓷将代替传统的二氧化硅、氧化铝陶瓷以及活性炭作为新一代的催化剂载体。


2、过滤器

泡沫陶瓷过滤技术是一种能够去除合金中非金属夹杂物,净化金属溶液的新技术。泡沫碳化硅陶瓷在这一领域的应用使金属的合格率和力学性能都有较大程度的提升。因此,在铸造行业推广泡沫碳化硅在净化金属溶液领域的应用可望得到显著的经济效益和社会效益。泡沫陶瓷载体是目前国际上普遍采用的尾气净化器载体材料。泡沫碳化硅陶瓷因具有开孔率大、透气性好、比表面积大、抗热震性能高和可控的电阻率等特点已经成功应用到汽车尾气净化器中。

图二 泡沫碳化硅应用于过滤器


3、化工领域的应用


3.1泡沫结构填料

具有发达比表面积、较低阻力损失的泡沫碳化硅陶瓷材料还可应用于精馏塔中,与传统填料相比,碳化硅陶瓷块具有较低的压降、较多的持液量、较好的传质性能。


3.2泡沫规整填料

与金属板波纹填料相比,泡沫碳化硅规整填料的干、湿填料压降较低、持液量较大,在不同喷淋密度下的泛点气速较大,所以泡沫碳化硅填料的通量高,不易液泛。


4、其它应用

泡沫碳化硅陶瓷材料还可应用于化学工业炉中进行燃烧过程的强化,具体形式包括:蒸汽发生器、辐射燃烧器、高压绝热燃烧器等。它们因具有体积小、节约燃料、功率调节范围广、稳定燃烧范围宽、污染物排放少等优点而日益受到社会各界的广泛关注。泡沫碳化硅陶瓷的耐腐蚀性优良,可通电发热,很适用于施工部门及半导体领域中腐蚀性流体的加热。泡沫碳化硅陶瓷材料还可用于制作各类换热器,由于其孔隙率高、压降低、热交换面积大以及特殊的空间网状结构,可以大大提高传热系数。除此之外,泡沫碳化硅陶瓷还可应用于电子部件热处理用材料、流动床底板、加湿器、沸水器、微生物载体等领域。

                                                   作者:谷雨

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