[发明专利]多级结构的氮化硅泡沫陶瓷及通过渗硅氮化原位生长晶须或纳米线结合CVI工艺制备方法

权利要求书

1.一种多级结构的氮化硅泡沫陶瓷，其特征在于：α-Si₃N₄纳米线或晶须与β-Si₃N₄晶须形成双增强骨架，骨架上为CVI Si₃N₄基体；α-Si₃N₄纳米线或晶须与β-Si₃N₄晶须在CVI Si₃N₄基体包覆下，孔壁内部为微米级小孔和闭孔结构，同时纳米线向模板孔隙外延生长，将毫米级宏观大孔分成亚毫米级小孔；多级结构Si₃N₄泡沫陶瓷的服役温度高达1600℃，抗压强度为2.88～13.92MPa，热导率为0.274～0.619W/(m·K)，介电常数为1.40～1.69(10GHz)。

2.一种通过渗硅氮化原位生长晶须或纳米线结合CVI工艺制备权利要求1所述多级结构Si₃N₄泡沫陶瓷的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将5～15wt.％高纯陶瓷粉料、30～60wt.％晶须、1～5wt.％分散剂、1～5wt.％除泡剂、1～5wt.％粘结剂、20～60wt.％有机溶剂混合均匀，再加入2.5～4.5wt.％盐酸，调节pH值为1～3，混匀后放入球磨罐球磨处理12～24h后配置得到水基陶瓷浆料；

步骤2：用NaOH溶液和硅溶胶对海绵模板进行2～5h浸泡预处理，以期用模板法达到最大挂浆量，然后用清水冲洗干净海绵并干燥；

步骤3：将干燥后的海绵反复浸渍步骤1配置的浆料内，浆料充分均匀浸入到海绵中，使用轧锟机挤去多余浆料防止在海绵表面形成堵孔；

步骤4：将步骤3浸渍了浆料的海绵放置在敞口的坩埚中，把坩埚放入管式炉中，通入氮气，从室温升到400℃，在升温过程中聚氨酯海绵模板被烧掉，浆料中的溶剂挥发，留下了由原始浆料中Si粉和β-Si₃N₄晶须构成的复形泡沫骨架；随后继续升至1400℃高温，Si粉与氮气反应，在β-Si₃N₄晶须相互搭接而成的骨架内以及坯体孔隙中原位生长出α-Si₃N₄纳米线或晶须，由此获得多级结构泡沫陶瓷预制体；

步骤5：将步骤4制得的预制体放入化学气相沉积炉中，制备Si₃N₄基体，对泡沫陶瓷骨架进行增密；每沉积一炉利用阿基米德排水法进行气孔率和密度测试，测试完将水分烘干后再次放入沉积炉中制备Si₃N₄基体，多炉沉积直至达到气孔率和密度预定目标，即获得力学和隔热性能优异的高温透波多级结构Si₃N₄泡沫陶瓷；

所述Si₃N₄化学气相渗透工艺以四氯化硅SiCl₄和氨气NH₃为反应气，氢气H₂作为载气和稀释气体，氩气Ar作为保护气体，SiCl₄:NH₃:H₂:Ar的流量比为3:4.5:12:10。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，先以5℃/min的升温速率，从室温升到200℃，再以3℃/min的升温速率，从200℃升到400℃，此工序中各参数的设定基于以下考虑：聚氨酯海绵在200℃～400℃会分解失重，升温速率过快，模板分解后释放的气体会冲散晶须骨架，导致陶瓷裂纹和缺陷的形成；再以5℃/min的升温速率，从400℃升到1400℃，在1400℃保温2～4h使骨架中的Si粉与氮气充分反应原位生成Si₃N₄纳米线等二次增强相；然后以5℃/min的降温速率，从1400℃降到600℃，之后随炉冷却。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤5中，Si₃N₄化学气相渗透工艺参数为总气压2kPa，沉积温度为800℃，沉积时间为60～420h。