[發明專利]一種氣固反應結合液相燒結法制備多孔氮化硅陶瓷的方法

在審

• 申請號: 201811459224.3
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN109574680A
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 王波;智強;張建飛;周小楠;黃鑫;李紫璇;丁克;楊建鋒
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C04B35/591
• 分類號: C04B35/591;C04B35/622;C04B35/64;C04B38/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種氣固反應結合液相燒結法制備多孔氮化硅陶瓷的方法，以納米炭黑和微米尺度的α?Si₃N₄為原料，稀土氧化物為燒結助劑，在氮氣氣氛條件下，首先通過SiO粉末蒸發的氣相與納米碳黑的碳熱還原氮化反應獲得納米Si₃N₄均勻分布的塊體，再經過高溫液相燒結，制備得到單一β?Si₃N₄相的多孔氮化硅陶瓷。高溫燒結后材料有～1％的線膨脹，基本實現了材料的凈尺寸成型；多孔材料的氣孔率可通過調控原料配比、成形壓力和燒結溫度進行大范圍調控，且具有較高的強度。當氣孔率為50％時，多孔Si₃N₄材料的抗彎強度高達160.5MPa。本發明獲得的氮化硅多孔陶瓷可廣泛應用于高溫過濾器或催化劑載體等領域。

技術領域

本發明涉及一種氣固反應結合液相燒結法制備多孔氮化硅陶瓷的方法，適用于各種高溫過濾分離器、催化劑載體、吸聲材料及透波材料等。

背景技術

多孔氮化硅陶瓷由于具有高比表面積，低密度，較低的介電常數、介電損失，良好的抗氧化、抗熱震、抗熱化學腐蝕性能，及優異的室溫及高溫強度被廣泛應用于高溫金屬過濾器，輻射燃燒器，熱交換器，催化劑載體，雷達及導彈天線罩等。氮化硅一般有等軸狀α-Si₃N₄和棒狀β-Si₃N₄兩種晶體形貌，其中由棒狀β-Si₃N₄晶粒相互搭接構成的結構，具有更優越的力學性能。目前，制備多孔氮化硅的方法及技術有許多種，常用的有部分燒結法，凝膠注模法，溶膠凝膠法，冷凍干燥法，添加造孔劑法，模板法，發泡法、反應燒結及自蔓延燃燒合成法等。然而以上大多數的工藝均以α-Si₃N₄為原料，其燒結過程中的顆粒重排導致的致密化過程發生于相轉變之前，并且由α-Si₃N₄到β-Si₃N₄氮化硅的相轉變往往又會近一步促進致密化。所以通過直接燒結α-Si₃N₄粉體制備多孔氮化硅時，在保證相轉變完全的情況下，一般很難使其同時具備較高的氣孔率(≥50％)，且燒結過程伴隨較大的體積收縮。雖然通過冷凍干燥法、添加造孔劑的方法可以進一步提高氣孔率，但是其微觀結構中通常存在大孔等缺陷，且孔的結構以及孔徑尺寸分布不均勻，導致強度較低。另外由于商業可獲得的氮化硅粉體，通常價格比較昂貴，且由氮化硅粉體燒結制備β-Si₃N₄多孔陶瓷時，一般需要較高的溫度，所以采用以上方法制備多孔氮化硅的成本均比較高。

以硅粉為原料，采用反應燒結或者自蔓延燃燒合成法將硅粉直接氮化制備多孔氮化硅陶瓷，雖然可以有效降低原料的成本及制備溫度，并且由于反應燒結過程中未發生收縮變形，實現了凈尺寸燒結，因此最終可精確控制燒結體的尺寸。但由于獲得的產物未能形成棒狀晶相互搭接的互鎖結構，所以仍存在強度較低等問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種氣固反應結合液相燒結法制備多孔氮化硅陶瓷的方法，該方法以納米碳黑為碳源，一氧化硅為硅源，通過氣固反應結合液相燒結制備多孔氮化硅陶瓷。一方面在相轉變完全的情況下，實現了凈尺寸燒結，得到的氮化硅材料的氣孔率可大范圍調控。另一方面因使用價格低廉的納米炭黑和一氧化硅粉為原料，有效的降低了氮化硅的制備成本。

本發明采取如下技術方案予以實現：

一種氣固反應結合液相燒結法制備多孔氮化硅陶瓷的方法，包括以下步驟：