[發明專利]多級結構的氮化硅泡沫陶瓷及通過滲硅氮化原位生長晶須或納米線結合CVI工藝制備方法

有效

• 申請號: 202210525130.1
• 申請日: 2022-05-14
• 公開（公告）號: CN115368161B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發明（設計）人: 成來飛;葉昉;羅熙燁;張青;崔雪峰
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B38/06
• 分類號: C04B38/06;C04B35/80;C04B35/584;C04B35/622
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

1.一種多級結構的氮化硅泡沫陶瓷，其特征在于：α-Si₃N₄納米線或晶須與β-Si₃N₄晶須形成雙增強骨架，骨架上為CVI Si₃N₄基體；α-Si₃N₄納米線或晶須與β-Si₃N₄晶須在CVI Si₃N₄基體包覆下，孔壁內部為微米級小孔和閉孔結構，同時納米線向模板孔隙外延生長，將毫米級宏觀大孔分成亞毫米級小孔；多級結構Si₃N₄泡沫陶瓷的服役溫度高達1600℃，抗壓強度為2.88～13.92MPa，熱導率為0.274～0.619W/(m·K)，介電常數為1.40～1.69(10GHz)。

2.一種通過滲硅氮化原位生長晶須或納米線結合CVI工藝制備權利要求1所述多級結構Si₃N₄泡沫陶瓷的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將5～15wt.％高純陶瓷粉料、30～60wt.％晶須、1～5wt.％分散劑、1～5wt.％除泡劑、1～5wt.％粘結劑、20～60wt.％有機溶劑混合均勻，再加入2.5～4.5wt.％鹽酸，調節pH值為1～3，混勻后放入球磨罐球磨處理12～24h后配置得到水基陶瓷漿料；

步驟2：用NaOH溶液和硅溶膠對海綿模板進行2～5h浸泡預處理，以期用模板法達到最大掛漿量，然后用清水沖洗干凈海綿并干燥；

步驟3：將干燥后的海綿反復浸漬步驟1配置的漿料內，漿料充分均勻浸入到海綿中，使用軋錕機擠去多余漿料防止在海綿表面形成堵孔；

步驟4：將步驟3浸漬了漿料的海綿放置在敞口的坩堝中，把坩堝放入管式爐中，通入氮氣，從室溫升到400℃，在升溫過程中聚氨酯海綿模板被燒掉，漿料中的溶劑揮發，留下了由原始漿料中Si粉和β-Si₃N₄晶須構成的復形泡沫骨架；隨后繼續升至1400℃高溫，Si粉與氮氣反應，在β-Si₃N₄晶須相互搭接而成的骨架內以及坯體孔隙中原位生長出α-Si₃N₄納米線或晶須，由此獲得多級結構泡沫陶瓷預制體；

步驟5：將步驟4制得的預制體放入化學氣相沉積爐中，制備Si₃N₄基體，對泡沫陶瓷骨架進行增密；每沉積一爐利用阿基米德排水法進行氣孔率和密度測試，測試完將水分烘干后再次放入沉積爐中制備Si₃N₄基體，多爐沉積直至達到氣孔率和密度預定目標，即獲得力學和隔熱性能優異的高溫透波多級結構Si₃N₄泡沫陶瓷；

所述Si₃N₄化學氣相滲透工藝以四氯化硅SiCl₄和氨氣NH₃為反應氣，氫氣H₂作為載氣和稀釋氣體，氬氣Ar作為保護氣體，SiCl₄:NH₃:H₂:Ar的流量比為3:4.5:12:10。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：所述步驟4中，先以5℃/min的升溫速率，從室溫升到200℃，再以3℃/min的升溫速率，從200℃升到400℃，此工序中各參數的設定基于以下考慮：聚氨酯海綿在200℃～400℃會分解失重，升溫速率過快，模板分解后釋放的氣體會沖散晶須骨架，導致陶瓷裂紋和缺陷的形成；再以5℃/min的升溫速率，從400℃升到1400℃，在1400℃保溫2～4h使骨架中的Si粉與氮氣充分反應原位生成Si₃N₄納米線等二次增強相；然后以5℃/min的降溫速率，從1400℃降到600℃，之后隨爐冷卻。

4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于：所述步驟5中，Si₃N₄化學氣相滲透工藝參數為總氣壓2kPa，沉積溫度為800℃，沉積時間為60～420h。