[发明专利]一种气固反应结合液相烧结法制备多孔氮化硅陶瓷的方法

说明书

本发明公开了一种气固反应结合液相烧结法制备多孔氮化硅陶瓷的方法，以纳米炭黑和微米尺度的α‑Si₃N₄为原料，稀土氧化物为烧结助剂，在氮气气氛条件下，首先通过SiO粉末蒸发的气相与纳米碳黑的碳热还原氮化反应获得纳米Si₃N₄均匀分布的块体，再经过高温液相烧结，制备得到单一β‑Si₃N₄相的多孔氮化硅陶瓷。高温烧结后材料有～1％的线膨胀，基本实现了材料的净尺寸成型；多孔材料的气孔率可通过调控原料配比、成形压力和烧结温度进行大范围调控，且具有较高的强度。当气孔率为50％时，多孔Si₃N₄材料的抗弯强度高达160.5MPa。本发明获得的氮化硅多孔陶瓷可广泛应用于高温过滤器或催化剂载体等领域。

技术领域

本发明涉及一种气固反应结合液相烧结法制备多孔氮化硅陶瓷的方法，适用于各种高温过滤分离器、催化剂载体、吸声材料及透波材料等。

背景技术

多孔氮化硅陶瓷由于具有高比表面积，低密度，较低的介电常数、介电损失，良好的抗氧化、抗热震、抗热化学腐蚀性能，及优异的室温及高温强度被广泛应用于高温金属过滤器，辐射燃烧器，热交换器，催化剂载体，雷达及导弹天线罩等。氮化硅一般有等轴状α-Si₃N₄和棒状β-Si₃N₄两种晶体形貌，其中由棒状β-Si₃N₄晶粒相互搭接构成的结构，具有更优越的力学性能。目前，制备多孔氮化硅的方法及技术有许多种，常用的有部分烧结法，凝胶注模法，溶胶凝胶法，冷冻干燥法，添加造孔剂法，模板法，发泡法、反应烧结及自蔓延燃烧合成法等。然而以上大多数的工艺均以α-Si₃N₄为原料，其烧结过程中的颗粒重排导致的致密化过程发生于相转变之前，并且由α-Si₃N₄到β-Si₃N₄氮化硅的相转变往往又会近一步促进致密化。所以通过直接烧结α-Si₃N₄粉体制备多孔氮化硅时，在保证相转变完全的情况下，一般很难使其同时具备较高的气孔率(≥50％)，且烧结过程伴随较大的体积收缩。虽然通过冷冻干燥法、添加造孔剂的方法可以进一步提高气孔率，但是其微观结构中通常存在大孔等缺陷，且孔的结构以及孔径尺寸分布不均匀，导致强度较低。另外由于商业可获得的氮化硅粉体，通常价格比较昂贵，且由氮化硅粉体烧结制备β-Si₃N₄多孔陶瓷时，一般需要较高的温度，所以采用以上方法制备多孔氮化硅的成本均比较高。

以硅粉为原料，采用反应烧结或者自蔓延燃烧合成法将硅粉直接氮化制备多孔氮化硅陶瓷，虽然可以有效降低原料的成本及制备温度，并且由于反应烧结过程中未发生收缩变形，实现了净尺寸烧结，因此最终可精确控制烧结体的尺寸。但由于获得的产物未能形成棒状晶相互搭接的互锁结构，所以仍存在强度较低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气固反应结合液相烧结法制备多孔氮化硅陶瓷的方法，该方法以纳米碳黑为碳源，一氧化硅为硅源，通过气固反应结合液相烧结制备多孔氮化硅陶瓷。一方面在相转变完全的情况下，实现了净尺寸烧结，得到的氮化硅材料的气孔率可大范围调控。另一方面因使用价格低廉的纳米炭黑和一氧化硅粉为原料，有效的降低了氮化硅的制备成本。

本发明采取如下技术方案予以实现：

一种气固反应结合液相烧结法制备多孔氮化硅陶瓷的方法，包括以下步骤：