一种基于多孔碳模板制备多孔wc陶瓷的方法
阅读说明：本技术 一种基于多孔碳模板制备多孔wc陶瓷的方法 (Method for preparing porous WC ceramic based on porous carbon template ) 是由 张阔 于方丽 张海鸿 唐健江 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及多孔陶瓷领域,公开了一种基于多孔碳模板制备多孔WC陶瓷的方法,该方法由多孔碳模板的预加工、多孔碳模板完全转化为多孔WC陶瓷以及多孔WC陶瓷的烧结三个步骤完成。本发明方法工艺简单,成本低廉,且易于制备形状复杂的构件,大大拓展了该法制备的多孔WC陶瓷的使用范围。(The invention relates to the field of porous ceramics, and discloses a method for preparing porous WC ceramics based on a porous carbon template. The method has simple process and low cost, is easy to prepare components with complex shapes, and greatly expands the application range of the porous WC ceramics prepared by the method.)
技术领域
本发明属于多孔陶瓷材料的技术领域，特别涉及一种基于多孔碳模板制备多孔WC陶瓷的方法。
背景技术
多孔WC陶瓷不仅具有WC陶瓷的优良性能，如高硬度、耐摩擦磨损、耐高温、耐腐蚀等，而且还具有多孔材料比表面积大、密度低、渗透性好、孔结构和孔形状可控等特点，因此在高温、腐蚀性介质、摩擦磨损等工业环境中有广泛的应用。另外，WC与液态金属一般具有良好的润湿性，因此多孔WC陶瓷也常常被用于制备金属陶瓷，或作为液态金属浸渗制备金属基复合材料的预制件，如用作反应熔渗法制备ZrC/W复合材料的坯体等。
目前制备多孔WC陶瓷的方法主要有S100凝胶注模工艺，如文献“凝胶注模制备碳化钨多孔陶瓷”(硅酸盐学报，2016，12：1681-1685)、文献“Fabrication of tungstencarbide foam through gel-casting process using nontoxic sodium alginate”(Int.Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2014,43:115-120)；尽管该工艺制备出的坯体成型后具有较高的密度、强度以及小的收缩率，但固相体积分数较高且黏度很低的悬浮液浆料较难配制，且凝胶工艺较为复杂；S200反应烧结法，即将氧化钨颗粒压成生胚，然后用甲烷进行碳化还原生成多孔WC。如文献“利用反应烧结法制备多孔碳化物陶瓷”(工程科学学报，2015(37)：751-756)。尽管该工艺温度较低，但由于结合性差，微观结构不均匀，因此强度较低。
碳模板法是一种制备多孔陶瓷常用的工艺，该工艺是将碳模板(如碳颗粒、多孔碳等)和陶瓷颗粒或陶瓷浆料混合成一种复合材料，然后除去模板并进行烧结，即得到多孔陶瓷。由于碳模板的除去通常在氧化气氛下进行，因此该工艺仅适合氧化物陶瓷或者抗氧化性强的碳化硅陶瓷，如申请号为201510577885.6的专利“一种基于模板制备多孔碳化硅陶瓷的制备方法”、申请号为201910989253.9的专利“一种利用生物模板法制备氧化铝多孔陶瓷的方法”等。WC由于密度大(15.8g/cm3)，浆料不易配制，且不耐氧化，因此，截至目前，国内外很少有关于基于多孔碳模板制备多孔WC陶瓷的公开文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多孔碳模板制备多孔WC陶瓷的方法，解决了现有的制备多孔WC陶瓷的方法中存在的工艺复杂的问题。
本发明所采用的技术方案是，具体如下：
一种基于多孔碳模板制备多孔WC陶瓷的方法，步骤如下：
S100,将多孔碳模板加工成要求的尺寸；
S200,称量加工后多孔碳模板的质量，计算其摩尔数；
S300,称取氧化钨粉；
S400,取氯化钠和氯化钾的混合粉；
S500,将氧化钨粉和混合粉研磨并混合均匀，得到反应粉；
S600,将加工后的多孔碳模板埋入反应粉内，然后一起放入坩埚中；
S700,将坩埚置于真空气氛炉中，然后进行熔盐反应；反应完成后随炉冷却至室温，并用热水煮掉盐，烘干后得到试样；
S800，将试样置于烧结炉中进行烧结，烧结温度为2000～2200℃，保温时间为1～3h，烧结完成后随炉冷却至室温，即得到多孔WC陶瓷。
作为本发明的进一步改进，步骤S100中，多孔碳模板为多孔石墨、碳化后的木材或泡沫。
作为本发明的进一步改进，步骤S100中，多孔碳模板的气孔率为60％～90％。
作为本发明的进一步改进，步骤S300中，氧化钨与多孔碳模板的摩尔比为(6～10)：1。
作为本发明的进一步改进，步骤S700中，熔盐反应在真空或流动氩气保护条件下进行。
作为本发明的进一步改进，步骤S700中，熔盐反应的反应温度为1300℃～1500℃，反应时间为10～15h。
作为本发明的进一步改进，步骤S800中，烧结在真空或通有保护气氛的条件下进行。
作为本发明的进一步改进，步骤S400中，氯化钠：氯化钾摩尔比为1:1。
作为本发明的进一步改进，步骤S500中，氧化钨粉和混合粉质量比为1:(10～20)。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明该方法由多孔碳模板的预加工、多孔碳模板完全转化为多孔WC陶瓷以及多孔WC陶瓷的烧结三个步骤完成。通过熔盐反应工艺使多孔碳模板完全转化为多孔碳化钨，同其他碳模板法制备多孔陶瓷的工艺相比，由于不需要氧化去除残余的碳步骤，因此不会发生碳化钨的氧化。通过对完全转化后的多孔WC进行烧结，能大大提高多孔陶瓷的抗弯强度等力学性能。本发明工艺简单、成本低廉，且由于多孔碳模板易于加工，因此特别适合制备各种复杂形状的构件，从而大大扩展了该法制备的多孔WC陶瓷的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例2的多孔石墨显微形貌照片；
其中：(a)图为低倍形貌照片；(b)图为高倍形貌照片；
图2是本发明实施例2的多孔WC陶瓷显微形貌照片；
其中：(a)图为低倍形貌照片；(b)图为高倍形貌照片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明一种基于多孔碳模板制备多孔WC陶瓷的方法，包括下述步骤：
S100将多孔碳模板加工成设计要求的尺寸；
所述多孔碳模板为多孔石墨、碳化后的木材、泡沫等。其气孔率为60％～90％。
S200称量加工后的多孔碳模板的质量，计算其摩尔数；
S300按氧化钨与加工后多孔碳模板摩尔比为(6～10)：1的比例，称取氧化钨粉；
S400按氯化钠：氯化钾＝1:1的摩尔比，称取氯化钠和氯化钾的混合粉；
S500按质量比为1:10～1:20，将氧化钨粉和混合粉倒入研钵中，研磨并混合均匀，得到反应粉；
S600将加工后的多孔碳模板埋入反应粉内，然后一起放入石墨坩埚中；
S700将石墨坩埚置于真空气氛炉中，在真空或流动氩气保护条件下，进行熔盐反应。反应完成后随炉冷却至室温，并用热水煮掉盐，烘干后得到试样；熔盐反应的反应温度为1300℃～1500℃，反应时间为10～15h。
S800将得到的试样置于烧结炉中，烧结温度为2000～2200℃，保温时间为1～3h。在真空或通有保护气氛的条件下进行烧结，随炉冷却后得到多孔WC陶瓷。
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
S100将气孔率为60％的木材碳化后的块体加工成设计要求的尺寸；
S200称量加工后块体的质量，计算其摩尔数；
S300按氧化钨与加工后的块体摩尔比为6的比例，称取氧化钨粉；
S400按氯化钠：氯化钾＝1:1的摩尔比，称取氯化钠和氯化钾的混合粉；
S500按质量比为1:10，将氧化钨粉和混合粉倒入研钵中，研磨并混合均匀，得到反应粉；
S600将加工后的块体埋入反应粉内，然后一起放入石墨坩埚中；
S700将石墨坩埚置于真空气氛炉中，在流动氩气保护条件下，进行熔盐反应，反应温度为1500℃，反应时间为10h。然后随炉冷却至室温，并用热水煮掉盐，烘干后得到试样；
S800将得到的试样置于烧结炉中，在真空条件下进行烧结，烧结温度为2200℃，保温时间为3h，随炉冷却后得到多孔WC陶瓷。
实施例2
S100将气孔率为70％的多孔石墨(图1所示)加工成设计要求的尺寸；
S200称量加工后多孔石墨的质量，计算其摩尔数；
S300按氧化钨与加工后的多孔石墨摩尔比为8的比例，称取氧化钨粉；
S400按氯化钠：氯化钾＝1:1的摩尔比，称取氯化钠和氯化钾的混合粉；
S500按质量比为1:15，将氧化钨粉和混合粉倒入研钵中，研磨并混合均匀，得到反应粉；
S600将加工后的多孔石墨埋入反应粉内，然后一起放入石墨坩埚中；
S700将石墨坩埚置于真空气氛炉中，在真空条件下，进行熔盐反应，反应温度为1300℃，反应时间为15h。然后随炉冷却至室温，并用热水煮掉盐，烘干后得到试样；
S800将得到的试样置于烧结炉中，在通有保护气氛的条件下进行烧结，烧结温度为2000，保温时间为1h，随炉冷却后得到多孔WC陶瓷。
如图2所示，可以得出：通过熔盐反应及后续的真空烧结工艺，多孔碳模板能完全转化为多孔WC陶瓷，且转变前后的微观结构，如孔尺寸、孔径分布等基本保持不变。
实施例3
S100将气孔率为90％的泡沫碳化后的块体加工成设计要求的尺寸；
S200称量加工后块体的质量，计算其摩尔数；
S300按氧化钨与多孔石墨块体摩尔比为10的比例，称取氧化钨粉；
S400按氯化钠：氯化钾＝1:1的摩尔比，称取氯化钠和氯化钾的混合粉；
S500按质量比为1:20，将氧化钨粉和混合粉倒入研钵中，研磨并混合均匀，得到反应粉；
S600将加工后的块体埋入反应粉内，然后一起放入石墨坩埚中；
S700将石墨坩埚置于真空气氛炉中，在流动氩气保护条件下，进行熔盐反应，反应温度为1400℃，反应时间为12h。然后随炉冷却至室温，并用热水煮掉盐，烘干后得到试样；
S800将得到的试样置于烧结炉中，在真空条件下进行烧结，烧结温度为2100℃，保温时间为2h。随炉冷却后得到多孔WC陶瓷。
实施例4
S100将气孔率为70％的泡沫碳化后的块体加工成设计要求的尺寸；
S200称量加工后块体的质量，计算其摩尔数；
S300按氧化钨与多孔石墨块体摩尔比为9的比例，称取氧化钨粉；
S400按氯化钠：氯化钾＝1:1的摩尔比，称取氯化钠和氯化钾的混合粉；
S500按质量比为1:10，将氧化钨粉和混合粉倒入研钵中，研磨并混合均匀，得到反应粉；
S600将加工后的块体埋入反应粉内，然后一起放入石墨坩埚中；
S700将石墨坩埚置于真空气氛炉中，在流动氩气保护条件下，进行熔盐反应，反应温度为1450℃，反应时间为14h。然后随炉冷却至室温，并用热水煮掉盐，烘干后得到试样；
S800将得到的试样置于烧结炉中，在真空条件下进行烧结，烧结温度为2150℃，保温时间为2.5h。随炉冷却后得到多孔WC陶瓷。
实施例5
S100将气孔率为80％的泡沫碳化后的块体加工成设计要求的尺寸；
S200称量加工后块体的质量，计算其摩尔数；
S300按氧化钨与多孔石墨块体摩尔比为7的比例，称取氧化钨粉；
S400按氯化钠：氯化钾＝1:1的摩尔比，称取氯化钠和氯化钾的混合粉；
S500按质量比为1:15，将氧化钨粉和混合粉倒入研钵中，研磨并混合均匀，得到反应粉；
S600将加工后的块体埋入反应粉内，然后一起放入石墨坩埚中；
S700将石墨坩埚置于真空气氛炉中，在流动氩气保护条件下，进行熔盐反应，反应温度为1480℃，反应时间为13h。然后随炉冷却至室温，并用热水煮掉盐，烘干后得到试样；
S800将得到的试样置于烧结炉中，在真空条件下进行烧结，烧结温度为2050℃，保温时间为1.5h。随炉冷却后得到多孔WC陶瓷。
需要说明的是，本发明的S100、S200等并非严格意义上的步骤一、二的顺序步骤，而是对不同操作步骤的区分。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。