[发明专利]一种制备β-氮化硅晶须的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种胶态发泡法制备β-氮化硅晶须的新方法，属于新材料技术领域。

背景技术

晶须(whisker)是在人工控制条件下合成的一种高强度胡须状的单晶体。其晶体结构比较完整，内部缺陷少，其强度和模量均接近理想晶体。因此，晶须常作为增强组元加入到金属基、陶瓷基和高分子基中起增强增韧作用。晶须的大小与晶须的性能有密切的关系，随尺寸增加，缺陷增多，晶须的性能下降。晶须直径小于10μm时，其强度急剧增加。Si₃N₄晶须因其耐高温、高强度、高模量、低膨胀系数和良好的化学稳定性，被认为是金属和陶瓷材料的理想增强组元。

氮化硅晶须的制备方法有化学气相沉积法、直接氮化法、碳热还原法、硅卤化物氨解法等。现有的晶须商业化生产存在环境污染、有害人体健康等问题，许多厂家已经停止生产或限制生产。有些制备氮化硅晶须的新方法还在研究中，例如然而这些方法或者使用的原料有毒性、或者价格比较昂贵、或者反应条件比较苛刻，并且制得的氮化硅晶须纯度不高，从而影响了其使用性能。

利用孔洞生长晶须，到目前为止，只见到两篇文献报道(Synthesisof Si3N4 whiskers in porous SiC bodies，In Chul Jung，Sun Hee Cho，Sang Woong Na，etc.Materials letters，2007，61：4843-4846及碳多孔体中碳化硅晶须的原位生长，陈康华，肖泽强，无机材料学报1994，9：417-422)，两篇均是通过碳热还原法在已有的多孔陶瓷(或碳体)中生长晶须，本质上仍属传统晶须制备方法。

发明内容

本发明提出了一种操作简单、纯度高、产量高、环境友好且无人体健康危害的氮化硅晶须制备方法-胶态发泡法。

本发明所采用的技术方案为：一种制备β-氮化硅晶须的方法，利用孔壁为支撑，利用孔洞为晶须提供生长空间的原理，制备出由大量“鸟巢”状微结构组成的多孔陶瓷块体，“鸟巢”由大量相互间结合较弱的β-氮化硅晶须搭建而成，研磨即可得β-氮化硅晶须。

其中，该制备出由大量“鸟巢”状微结构组成的多孔陶瓷块体的方法是利用胶态发泡法。

该胶态发泡法具体是：以普通氮化硅粉体为原料，与助烧剂、成型介质、分散剂和发泡剂在在去离子水中混合成具有一定固相含量的浆料，其中，助烧剂的加入量为氮化硅粉体的10wt％-20wt％，成型介质的加入量为氮化硅粉体的20wt％-40wt％，分散剂的加入量为氮化硅粉体的0.2wt％-2wt％，发泡剂的加入量为氮化硅粉体的0.01wt％-0.05wt％，氮化硅粉体占总粉体的90wt％，浆料固相含量在5vol％-40vol％，搅拌球磨后，室温阴干或50-60℃烘干固化成块体，在炉中煅烧成型，制得由大量“鸟巢”状微结构组成的多孔陶瓷块体。

所述氮化硅粉体为普通商业粉体，助烧剂为商业氧化铝粉及氧化钇粉体，分散剂选取四甲基氢氧化铵(TMAH)、柠檬酸铵(TAC)、聚丙烯酸复合高分子铵盐(JA-281)或碱水剂中的一种，成型介质选取聚乙烯醇(PVA)或者丙烯酰胺(AM)凝胶体系的一种，发泡剂选取曲拉通-114(TX-114)、戊酸(VA)或者没食子酸丙酯(PG)中的一种；室温阴干或40-60℃烘干固化成块体，在炉中煅烧成型。

所述氮化硅粉体粒径为0.5μm，未处理或者经过氧化处理，占总粉量的90wt％。

所述助烧剂为粒径为1.0μm的商业氧化铝粉及粒径为4.2μm的氧化钇粉体，氧化铝粉添加量为总粉量的2.5wt％，氧化钇粉添加量为总粉量的7.5wt％。

所述分散剂为四甲基氢氧化铵(TMAH)，添加量为氮化硅粉体的0.2wt％。

所述分散剂为柠檬酸铵(TAC)，添加量为氮化硅粉体的0.4wt％。

所述分散剂为聚丙烯酸复合高分子铵盐(JA-281)，添加量为氮化硅粉体的2.5wt％。

所述分散剂为碱水剂，添加量为氮化硅粉体的1wt％。

所述成型介质为聚乙烯醇(PVA)，添加量为氮化硅粉体的20-40wt％，搅拌球磨后阴干固化成型。