一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法技术

本发明专利技术公开了一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，按照以下步骤实施：步骤1，配制浆料：将分散剂溶于溶剂中得到分散剂溶液，所述溶剂为水和有机溶剂的混合溶液或乳浊液，然后再加入碳化锆前驱体球磨制备浆料；步骤2，把浆料注入模型模具，冷冻得到冷冻素坯；步骤3，对冷冻素坯进行低温干燥得到多孔素坯；步骤4，将多孔素坯经过高温裂解反应得到多孔碳化锆陶瓷。本发明专利技术的制备方法过程简单、易操作，将含锆聚合物前驱体的高温裂解技术和冷冻干燥技术相结合制备出多孔碳化锆陶瓷。具备冷冻干燥法制备多孔碳化锆陶瓷的工艺简单、开孔率高、气体透过性好和强度高等特点，又兼顾了碳化锆陶瓷聚合物前驱体的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法
本专利技术属于超高温陶瓷材料制备
，涉及一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法。
技术介绍
超高温陶瓷(UHTCs)是指能在2000℃以上使用的陶瓷材料。UHTCs一般包括过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物，该类材料具有3000℃以上的熔点，并具有优良的超高温抗氧化性和抗热震性。超高温陶瓷材料广泛应用于航天火箭的发动机、超音速飞机的防热系统、金属超高温熔炼用的电极和坩埚等。如果用多孔碳化锆陶瓷替代致密的碳化锆陶瓷，这将兼具碳化锆陶瓷本身优异的超高温性能和多孔材料的质轻等优异性能，可以拓宽当前在超高温领域的选择。20世纪末出现的一种制备超高温陶瓷的新工艺——前驱体转化法，该方法具有传统工艺无法实现的优势，如：低的煅烧温度、可调的陶瓷组成、聚合物前驱体分子结构可设计、易成型复杂构件等。通过前驱体转化法制备多孔陶瓷目前主要包括发泡法和模板法。中国专利CN103804013A将ZrO2溶胶、酚醛树脂、乳化剂、固化剂和发泡剂完全混合均匀后，倒进内衬聚四氟乙烯的模具中，在一定温度下保温一段时间使其固化、发泡；然后自然冷却、脱模得到坯体；最后，坯体经过高温裂解反应得到多孔碳化锆陶瓷。该制备方法的孔结构易于形成闭孔结构，导致其开孔孔隙率低。专利CN108046805A首先以正丙醇锆、螯合剂、碳源制备出碳化锆溶胶前驱体；然后在经过NaOH处理过的聚氨酯泡沫骨架上浸渍碳化锆溶胶，烘干后获得泡沫多孔前驱体；最后经过高温裂解反应得到和有机泡沫具有相同骨架结构的碳化锆多孔陶瓷。该方法解决了开孔孔隙率低的缺点，但是又存在碳化锆陶瓷纯度低的缺点。本专利技术的多孔碳化锆陶瓷的制备方法是利用含锆聚合物前驱体固体颗粒、溶剂和分散剂经球磨处理形成均一的浆料，该浆料通过冷冻干燥和高温裂解工艺制备出多孔碳化锆陶瓷，与现已公开制备多孔碳化锆陶瓷的专利均不同。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，解决了发泡法制备多孔陶瓷的开孔率低和有机泡沫为模板法的工艺复杂、力学性能较低的问题。本专利技术所采用的技术方案是一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，配制浆料：将分散剂溶于溶剂中得到分散剂溶液，所述溶剂为水和有机溶剂的混合溶液或乳浊液，然后再加入碳化锆前驱体球磨制备浆料；步骤2，把浆料注入模型模具，冷冻得到冷冻素坯；步骤3，对冷冻素坯进行低温干燥得到多孔素坯；步骤4，将多孔素坯经过高温裂解反应得到多孔碳化锆陶瓷。本专利技术的特点还在于：碳化锆前驱体为含锆聚合物前驱体。步骤1中所述溶剂的温度为20℃～60℃。有机溶剂为苯、二甲苯、叔丁醇中任意一种。溶剂中水的质量百分比为10％～90％。步骤1中所述碳化锆前驱体占浆料的质量百分比为20％～50％，所述分散剂占浆料质量为0.02％～0.1％。步骤1中所述分散剂为聚丙烯酸盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、柠檬酸、聚乙烯醇中任意一种。步骤2和步骤3的作业温度为-10℃～-50℃。步骤2中在低温冷冻机中进行冷冻。步骤4中的高温裂解为将干燥后的素坯在惰性气氛下进行高温裂解，具体工艺参数为：升温速率为1℃/min～20℃/min，裂解温度为1300℃～1600℃，保温时间为1h～2h。本专利技术的制备方法过程简单、易操作，将含锆聚合物前驱体的高温裂解技术和冷冻干燥技术相结合制备出多孔碳化锆陶瓷。具备冷冻干燥法制备多孔碳化锆陶瓷的工艺简单、开孔率高、气体透过性好和强度高等特点，又兼顾了碳化锆陶瓷聚合物前驱体的优点。附图说明图1是本专利技术一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法的流程图；图2是本专利技术一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法中实施例1制备的多孔碳化锆陶瓷压缩曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：步骤1，配制浆料：将分散剂溶于20℃～60℃溶剂中得到分散剂溶液，其中溶剂为水和有机溶剂的混合溶液或乳浊液，有机溶剂为苯、二甲苯、叔丁醇中任意一种，溶剂中水的质量百分比10％～90％；然后再加入碳化锆前驱体球磨制备浆料，其中碳化锆前驱体占浆料的质量百分比为20％～50％，所述分散剂占浆料质量为0.02％～0.1％；步骤2，把浆料注入模型模具，在-10℃～-50℃的低温冷冻机进行冷冻得到冷冻素坯；步骤3，对冷冻素坯进行低温干燥得到多孔素坯；步骤4，将多孔素坯经过高温裂解反应得到多孔碳化锆陶瓷，高温裂解为将干燥后的素坯在惰性气氛下进行高温裂解，其具体工艺参数为：升温速率为1℃/min～20℃/min，裂解温度为1300℃～1600℃，保温时间为1h～2h。本专利技术的方法既包含了冷冻干燥法制备多孔碳化锆陶瓷的工艺简单、开孔率高、气体透过性好和强度高等，又兼顾了碳化锆陶瓷聚合物前驱体的优点，如：碳化锆纯度高、煅烧温度低等。解决了发泡法制备多孔陶瓷的开孔率低和有机泡沫为模板法的工艺复杂和碳化锆纯度低的缺点。冷冻干燥法是利用冰晶的生长形成多孔陶瓷，更倾向于形成通孔结构。本专利技术的多孔陶瓷骨架组成只是含锆有机物无其它物质，故其碳化锆纯度高。实施例1：步骤1，将分散剂溶于20℃溶剂中得到分散剂溶液，其中溶剂为水和有机溶剂的混合溶液或乳浊液，有机溶剂为苯，溶剂中水的质量百分比10％；然后再加入碳化锆前驱体球磨制备浆料，其中碳化锆前驱体占浆料的质量百分比为20％，所述分散剂占浆料质量为0.02％；步骤2，把浆料注入模型模具，在-10℃的低温冷冻机中冷冻4h得到冷冻素坯；步骤3，对冷冻素坯进行低温干燥得到多孔素坯；步骤4，将多孔素坯经过高温裂解反应得到多孔碳化锆陶瓷，高温裂解为将干燥后的素坯在惰性气氛下进行高温裂解，其具体工艺参数为：升温速率为1℃/min，裂解温度为1300℃，保温时间为2h。上述制得的多孔碳化锆陶瓷，孔隙分布状态和孔隙尺寸都较均匀孔隙率为93.5％，压缩强度为0.40Mpa。本实施例制备得到的一种多孔碳化锆陶瓷的压缩曲线图，如图2所示。从图2可知，随着时间的延长应力值也随之增加，达到最大值后出现下降趋势。其原因是：在压缩时，多孔陶瓷的多孔结构逐渐破坏并致密化，达到最大值时孔结构完全破坏，此后其压力值开始下降。这些特性也是其他多孔陶瓷的典型特征。实施例2：步骤1，将分散剂溶于26℃溶剂中得到分散剂溶液，其中溶剂为水和有机溶剂的混合溶液或乳浊液，有机溶剂为二甲苯，溶剂中水的质量百分比25％；然后再加入碳化锆前驱体球磨制备浆料，其中碳化锆前驱体占浆料的质量百分比为30％，所述分散剂占浆料质量为0.04％；步骤2，把浆料注入模型模具，在-20℃的低温冷冻机中冷冻4h得到冷冻素坯；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：/n步骤1，配制浆料：将分散剂溶于溶剂中得到分散剂溶液，所述溶剂为水和有机溶剂的混合溶液或乳浊液，然后再加入碳化锆前驱体球磨制备浆料；/n步骤2，把浆料注入模型模具，冷冻得到冷冻素坯；/n步骤3，对冷冻素坯进行低温干燥得到多孔素坯；/n步骤4，将多孔素坯经过高温裂解反应得到多孔碳化锆陶瓷。/n

【技术特征摘要】
1.一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，配制浆料：将分散剂溶于溶剂中得到分散剂溶液，所述溶剂为水和有机溶剂的混合溶液或乳浊液，然后再加入碳化锆前驱体球磨制备浆料；
步骤2，把浆料注入模型模具，冷冻得到冷冻素坯；
步骤3，对冷冻素坯进行低温干燥得到多孔素坯；
步骤4，将多孔素坯经过高温裂解反应得到多孔碳化锆陶瓷。


2.根据权利要求1的所述的一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，其特征在于，所述碳化锆前驱体为含锆聚合物前驱体。


3.根据权利要求1的所述的一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，其特征在于，步骤1中所述溶剂的温度为20℃～60℃。


4.根据权利要求1的所述的一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，其特征在于，步骤1中所述有机溶剂为苯、二甲苯、叔丁醇中任意一种。


5.根据权利要求1的所述的一种采用聚合物前驱体制备多孔碳化锆陶瓷的方法，其特征在于，步骤1中所述溶剂中水的质量百分比为10％～90...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵康，王凯，孟庆男，汤玉斐，胡花婷，许卓利，焦华，李福平，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61