[發(fā)明專利]一種叔丁醇基凝膠注模法制備Si3N4 多孔陶瓷的成型方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110181203.1
• 申請日: 2011-06-30
• 公開（公告）號: CN102344297A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王紅潔;李劉媛;喬冠軍;楊建鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00;C04B35/624;C04B35/584
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種叔丁醇基(TBA)凝膠注模法制備Si₃N₄多孔陶瓷的工藝，屬于多孔陶瓷領(lǐng)域。

背景技術(shù)

多孔陶瓷是以氣相為主相的一類陶瓷材料，相比于其它多孔材料具有耐高溫、耐腐蝕和抗熱震性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，在冶金、化工、生物、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。世界各國都已投入大量的人力、物力、財力用于此類材料的研究，并且取得了較大進(jìn)展。

氮化硅陶瓷是結(jié)構(gòu)陶瓷中綜合性能最好的材料之一。除了具有普通陶瓷材料高強(qiáng)度，高彈性模量，耐高溫，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)外，還具有介電常數(shù)低、介電損耗小、高頻介電性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為航天、航空材料研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)之一。

多孔陶瓷的特點(diǎn)是有大量氣孔，所以其制備的關(guān)鍵與難點(diǎn)就是形成多孔結(jié)構(gòu)。常見多孔陶瓷的制備工藝有：擠出成型法，添加造孔劑法，溶膠-凝膠法，冷凍干燥法，反應(yīng)燒結(jié)法，凝膠注模成型法等。

凝膠注模成型法是1992年美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室研制的一種新型陶瓷成型工藝，該工藝?yán)脻{料內(nèi)部少量添加劑(單體和交聯(lián)劑)的化學(xué)反應(yīng)作用從而使陶瓷漿料原位凝固形成坯體，獲得具有良好微觀均勻性的素坯，從而顯著提高材料的可靠性。這種方法具有成本低，設(shè)備簡單，氣孔均勻，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以成型復(fù)雜形狀。目前水基凝膠注模成型工藝已經(jīng)基本成熟，但水基凝膠注模成型過程中，由于水的表面張力大，坯體在干燥過程中產(chǎn)生的收縮大，因而容易開裂；此外水的飽和蒸汽壓小，不容易揮發(fā)，所以干燥時間很長，而且干燥的環(huán)境要求也比較苛刻，需要在低溫高濕環(huán)境中長時間干燥。

與水相比，叔丁醇(TBA)的表面張力小，飽和蒸汽壓大，可以有效緩解水基凝膠注模過程中，坯體干燥變形、開裂的問題，并可以有效縮短干燥時間。到目前為止只有清華大學(xué)新型陶瓷和精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用TBA為溶劑制備氧化鋁和氧化鋯。文獻(xiàn)Ceramics?With?Ultra-Low?Density?Fabricated?by?Gel-casting：An?Unconventional?Vie(Ruifeng?Chen，Yong?Huang?etc，J.Am.Ceram.Soc.90[11]3424-3429(2007))，制備了體積分?jǐn)?shù)為5-15％的Al₂O₃陶瓷，其中氣孔率60％-92％，強(qiáng)度為10-50Mpa；文獻(xiàn)Porous?yttria?stabilized?zirconia?ceramics?with?ultra-low?thermal??conductivity(Liang?Fa?Hu，Chang?An?Wang，Yong?Huang，J?Mater?Sci(2010)45：3242-3246)中以TBA為溶劑，用凝膠注模成型法制備了高氣孔率(52-76％)，且孔徑分布均勻(0.7-1.8μm)的ZrO₂陶瓷，上述報道均是用TBA基凝膠注模法制備氧化物陶瓷，而氧化物陶瓷的成型性能比較好，但是氧化物陶瓷制品的強(qiáng)度比較低。

目前，還沒有檢索到以TBA為溶劑，采用凝膠注模法制備多孔Si₃N₄陶瓷的文獻(xiàn)和公開發(fā)明專利。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于尋找一種新型溶劑代替水，采用凝膠注模法來制備高性能高氣孔率(40-75％)、高強(qiáng)度(40-140Mpa)氮化硅多孔陶瓷。本發(fā)明的目的是通過下述工藝過程實(shí)現(xiàn)的：

(1)按5-30％的單體丙烯酰胺(AM)、1-6％交聯(lián)劑氮-氮亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)、1-5％分散劑聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和40-80％叔丁醇混合，制備預(yù)混液，在預(yù)混液中加入20-60％氮化硅粉體和3-10％燒結(jié)助劑(Al₂O₃；Y₂O₃)，球磨8-24h后制得漿料。

(2)漿料經(jīng)過真空除氣然后加入2-10％的引發(fā)劑(過硫酸銨)，1-5％的催化劑(四甲基乙二胺)后，再真空除氣20s，注模，在30-65℃水浴中成型。60min后脫模，在室溫通風(fēng)環(huán)境下干燥24小時得到干燥坯體。

(3)將干燥坯體在空氣爐中緩慢排膠，最高排膠溫度為560℃，升溫速率為0.2℃/min；最后在低于1200℃采用真空燒結(jié)；高于1200℃采用氣壓燒結(jié)，最終燒結(jié)溫度為1650-1800℃，保溫時間0.5-3小時，燒結(jié)氣氛為氮?dú)狻?/p>

(4)本發(fā)明的特征在于利用TBA的表面張力小和飽和蒸汽壓高的特性，解決了水基凝膠注模成型工藝中坯體干燥過程中耗時長且容易開裂的缺點(diǎn)，簡化了干燥工藝過程，提高了效率和成功率。