一种高机械强度泡沫陶瓷材料及其制备方法[0002]泡沫碳化硅陶瓷材料不仅具有优良的抗腐蚀、抗高温氧化、高导热率、低膨胀、化学惰性等材料特性，还具有三维联通、传热传质性能好等结构特征，因而是理想的结构化载体材料。 [0003]在目前的泡沫碳化硅生产技术中，最具性价比、最具大规模工业化生产前景的技术是复制成型法。该方法的主要技术特点是以高分子泡沫材料为前驱体，在表面均匀包裹一层料浆，之后通过高温处理将高分子泡沫除去，就可以得到与原高分子泡沫结构完全相同的炭泡沫，之后在一定条件下让硅与炭泡沫反应，就可以得到泡沫碳化硅。以原始泡沫塑料为模板制备的泡沫碳化硅陶瓷材料，在复制成型过程中，由于高分子泡沫塑料固有制备工艺形成的三角形筋截面，决定了在高分子泡沫经高温去除后，所留下的中心孔必然是与高分子泡沫塑料具有同样形状的尖锐顶角三角形中心孔(见图la、图2)。这种形状的中心孔在承受内应力或外力的情况下，很容易在顶角等处形成高应力集中点，从而导致材料在较小的压力下即发生断裂或破碎等现象。复制成型法的技术特点，决定了中心孔存在的必然性。那么，要消除或减轻中心孔对材料力学性能的负面影响，有两种方法:一种方法可以考虑在后续步骤中对中心孔进行填塞，以期缩小甚至消除中心孔，但工艺较复杂；另一方法则可以考虑改变中心孔的形状，使其变成圆形或近圆形，消除原中心孔的尖锐顶角，根据力学原理，这种处理方式也可以达到减小应力集中，延长材料使用寿命的目的。
[0004]本发明的目的在于提供一种高机械强度泡沫陶瓷材料及其制备方法，解决现有泡沫陶瓷材料三角形中心孔在承受内应力或外力的情况下，很容易在顶角等处形成高应力集中点，从而导致材料在较小的压力下即发生断裂或破碎等问题。[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:[0006]一种高机械强度泡沫陶瓷材料，采用可溶性高分子聚合物包覆的方法使高分子泡沫塑料的筋体横截面形状由三角形向圆形转化，以圆化后的高分子泡沫塑料做前驱体，最终获得的泡沫陶瓷材料具有圆形或近圆形的中心孔。[0007]所述的高机械强度泡沫陶瓷材料，泡沫陶瓷材料为碳化硅、氧化铝、莫来石或堇青石等无机材料。[0008]所述的高机械强度泡沫陶瓷材料制备方法，在高分子泡沫塑料表面制备附加涂层，将高分子泡沫塑料的三角形筋修饰为圆形或近圆形，用这种经圆化后的高分子泡沫塑料做前驱体，采用复制法得到泡沫陶瓷材料，其中心孔呈现圆形或近圆形。
[0009]所述的高机械强度泡沫陶瓷材料制备方法，具体包括如下步骤:[0010](I)将可溶性高分子树脂溶于蒸馏水或有机溶剂中，形成浓度为10~100克/升的树脂溶液；
[0011](2)将高分子泡沫塑料在上述溶液中充分浸泡，确保树脂溶液与高分子泡沫塑料各区域均实现完全浸润，浸泡I~3min之后取出，并用压缩空气吹去多余液体；
[0012](3)将浸泡后的高分子泡沫塑料于50°C~100°C之间烘干，这样在高分子泡沫塑料表面即可得到高分子树脂涂层，由于该涂层的存在，高分子泡沫塑料的三角形筋得到初步圆化；
[0013](4)重复上述2)、3)步骤，直到高分子树脂涂层达到一定厚度，对三角筋的圆化能够满足要求，直到高分子泡沫塑料的增重量达到原高分子泡沫塑料重量的2~10倍；
[0014](5)以步骤4)得到的高分子泡沫塑料作为前驱体，按照中国专利:“一种高强度碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法，专利号ZL00110479.9”所述的内容制备泡沫陶瓷材料。
[0015]所述的高机械强度泡沫陶瓷材料制备方法，必要时，采用挤压或揉搓的方式，以实现完全浸润。
[0016]所述的高机械强度泡沫陶瓷材料制备方法，高分子泡沫塑料为聚氨酯泡沫塑料或其它具有三角形筋截面形状的有机泡沫塑料。
[0017]所述的高机械强度泡沫陶瓷材料制备方法，高分子树脂为聚碳酸酯、聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚氯乙烯树脂或聚乙烯醇树脂等可分解、低产碳率的可溶性高分子聚合物。
[0018]所述的高机械强度泡沫陶瓷材料制备方法，有机溶剂可以是乙醇、丙醇或丁醇。
[0019]所述的高机械强度泡沫陶瓷材料制备方法，该方法用于制备高强度的泡沫陶瓷材料为泡沫碳化硅、泡沫氧化铝、泡沫莫来石或泡沫堇青石等。
[0020]本发明的设计思想如下:
[0021]本发明采用可溶有机物包覆的方法使聚氨酯泡沫的筋体横截面形状由三角形向圆形转化，并最终接近圆形。采用经圆化后的聚氨酯泡沫作为前驱体制备泡沫陶瓷，所得到材料的中心孔也呈现圆形，与三角形中心孔的同样材料相比，该泡沫陶瓷材料的机械强度明显提闻，因此可有效延长材料使用寿命。
[0022]与用未圆化的泡沫塑料制备泡沫材料的方法相比，本发明具有如下有益效果:
[0023]1、泡沫塑料经涂层修饰后，原三角形筋变为圆形或近圆形，以此为前驱体制备的泡沫其中心孔为与泡沫塑料一样的圆形，消除了由于三角形中心孔造成的应力集中，降低材料破损断裂几率，大幅提高材料的机械强度，延长材料使用寿命。
[0024]2、本发明所采用的泡沫塑料增粗圆化方法，也可以用于其它对于粗筋泡沫塑有需求的领域。



[0025]图1为本发明的泡沫塑料增粗圆化图解。图中，a、原始泡沫塑料筋截面；b、初步增粗后泡沫塑料筋截面；c、最终增粗后泡沫塑料筋截面。
[0026]图2为本发明 中用于对比的泡沫碳化硅(采用原始泡沫塑料为模板)断口显微照片。
[0027]图3为本发明使用圆化增粗泡沫塑料为模板制备的泡沫碳化硅的断口显微照片。
[0028]如图1、图3所示，本发明高机械强度泡沫陶瓷材料的制备方法，在高分子泡沫塑料表面制备附加涂层，将高分子泡沫塑料的三角形筋修饰为圆形或近圆形，用这种经圆化后的高分子泡沫塑料做前驱体，采用复制法得到泡沫陶瓷材料，其中心孔呈现圆形或近圆形，与具有三角形中心孔的泡沫陶瓷材料相比，该材料的机械强度得到明显提高，具体包括如下步骤:
[0029](I)将可溶性高分子树脂溶于蒸馏水或有机溶剂中，形成浓度为10~100克/升的树脂溶液；
[0030](2)将高分子泡沫塑料在上述溶液中充分浸泡，确保树脂溶液与高分子泡沫塑料各区域均实现完全浸润，必要时可采用挤压、揉搓的方式。浸泡I~3min之后取出，并用压缩空气吹去多余液体；
[0031](3)将浸泡后的高分子泡沫塑料于50°C~100°C之间烘干，这样在高分子泡沫塑料表面即可得到高分子树脂涂层，由于该涂层的存在，高分子泡沫塑料的三角形筋得到初步圆化； [0032](4)重复上述2)、3)步骤，直到高分子树脂涂层达到一定厚度，对三角筋的圆化能够满足要求，直到高分子泡沫塑料的增重量达到原高分子泡沫塑料重量的2~10倍；
[0033](5)以步骤4)得到的高分子泡沫塑料作为前驱体，按照中国专利:“一种高强度碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法(专利号ZL00110479.9) ”所述的内容制备泡沫陶瓷材料。
[0034]其中，高分子泡沫塑料为聚氨酯泡沫塑料，也可以是其它具有三角形筋截面形状的有机泡沫塑料；高分子树脂可以为聚碳酸酯、聚乙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚氯乙烯树脂或聚乙烯醇树脂等可分解低产碳率的可溶性高分子聚合物；有机溶剂可以是乙醇、丙醇或丁醇等；该方法也可以用于制备高强度的泡沫陶瓷材料如泡沫碳化硅、泡沫氧化铝、泡沫莫来石或泡沫堇青石等其它无机泡沫材料。
[0035]本发明采用可溶性高分子聚合物包覆的方法使高分子泡沫塑料的筋体横截面形状由三角形向圆形转化，用这种经圆化后的高分子泡沫塑料做前驱体，最终获得的泡沫陶瓷材料具有圆形或近圆形的中心孔，而常规方法得到的同样材料其中心孔是三角形。
[0036]实施例1
[0037]本实施例制备高机械强度泡沫碳化硅的制备过程具体如下:
[0038]1、将水溶性聚碳酸酯溶于蒸馏水中，得到浓度为5克/升的树脂溶液；
[0039]2、将聚氨酯泡沫塑料在上述溶液中充分浸泡，并反复挤压泡沫塑料，确保树脂溶液与聚氨酯泡沫塑料各部位充分接触。浸泡2min之后取出聚氨酯泡沫塑料，并用压缩空气吹去多余液体；
[0040]3、将浸泡后的聚氨酯泡沫塑料于80°C烘干，使树脂在聚氨酯泡沫塑料表面固化得到涂层，聚氨酯泡沫塑料的三角形筋得到初步圆化；
[0041]4、称重并记录数据；
[0042]5、重复上述2~4步骤，直到聚氨酯泡沫塑料的增重量达到原聚氨酯泡沫塑料重量的两倍；
[0043]6、以步骤5得到的聚氨酯泡沫塑料作为前驱体，按照中国专利ZL00110479.9所述的内容制备泡沫碳化硅陶瓷材料。[0044]如图1所示，采用本发明方法高分子泡沫塑料的增粗圆化过程为:原始泡沫塑料筋截面一初步增粗后泡沫塑料筋截面一最终增粗后泡沫塑料筋截面。
[0045]如图3所示，采用本发明方法圆化后泡沫塑料为模板制备的泡沫碳化硅断面，由原三角形筋变为圆形或近圆形，以此为前驱体制备的泡沫碳化硅其中心孔为与泡沫塑料一样的圆形，消除了由于三角形中心孔造成的应力集中，降低材料破损断裂几率，大幅提高材料的机械强度，延长材料使用寿命。
[0046]实施例2
[0047]与实施例1不同处在于，树脂浓度为10克/升，其它条件相同。
[0048]实施例3
[0049]与实施例1不同处在于，树脂浓度为50克/升,其它条件相同。
[0050]实施例4
[0051]与实施例1不同处在于，树脂浓度为100克/升，其它条件相同。
[0052]实施例5
[0053]与实施例1不同处在于，树脂浓度为200克/升，其它条件相同。
[0054]实施例6
[0055]与实施例1不同处在于，树脂浓度为500克/升，其它条件相同。
[0056]实施例7
[0057]与实施例4不同处在于，树脂的增重量为原始泡沫塑料的一倍。
[0058]实施例8
[0059]与实施例4不同处在于，树脂的增重量为原始泡沫塑料的4倍。
[0060]实施例9
[0061]与实施例4不同处在于，树脂的增重量为原始泡沫塑料的6倍。
[0062]实施例10
[0063]与实施例4不同处在于，树脂的增重量为原始泡沫塑料的10倍。
[0064]实施例11
[0065]与实施例9不同处在于，浸泡后泡沫塑料的烘干固化温度为50°C。
[0066]实施例12
[0067]与实施例9不同处在于，浸泡后泡沫塑料的烘干固化温度为100°C。
[0068]实施例13
[0069]与实施例9不同处在于，浸泡后泡沫塑料的烘干固化温度为130°C。
[0070]经实施例比较可以看出，树脂溶液浓度低于10克/升时，泡沫塑料增重速度太慢，效率低；而浓度高于200克/升时，溶液粘度太高，易堵孔，合适的浓度应该是在10克/升到200克/升之间；合适的增重量应该是原始泡沫塑料的2倍到10倍之间；合适的固化温度应该在50°C~100°C之 间。
[0071]采用上述条件制备出的泡沫碳化硅在同样密度的条件下，与采用原始泡沫塑料为模板制备的泡沫碳化硅相比，其抗压强度由30MPa提高到36MPa，性能提升20 %，改善明显。
[0072]实施例结果表明，本发明采用可溶性高分子聚合物包覆的方法使高分子泡沫的筋体横截面形状由三角形向圆形转化，从而使泡沫碳化硅制备过程中高分子泡沫在经高温去除后留下的中心孔呈圆形或近圆形，进而得到具有圆形中心孔的泡沫碳化硅材料。与具有三角 形中心孔的泡沫陶瓷材料相比，该材料的机械强度得到明显提高。