[发明专利]氮化硅多孔陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷制备技术领域，具体涉及一种氮化硅多孔陶瓷的制备方法。

背景技术

多孔陶瓷普遍具有轻质、隔热、耐热、耐蚀的特点，广泛地应用于过滤、催化、吸音、气敏及人工骨等领域。与氧化物基多孔陶瓷相比，多孔Si₃N₄陶瓷强度高、介电常数低且稳定，在军事电子工业方面作为一种新型的“结构-功能”一体化材料有应用前景，引起了广泛的研究。

根据所用起始粉末的不同，现有的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法有以下几种：

非全致密烧结留孔法制备多孔Si₃N₄陶瓷通常以α-Si₃N₄粉末为原料，同时使用一定量的添加剂，包括Al₂O₃、Y₂O₃及稀土氧化物等，在氮气氛中1650-2200℃烧结。添加剂与Si₃N₄原料中混有的SiO₂杂质在高温下生成一定量的液相，一方面实现Si₃N₄的α→β转变和β-Si₃N₄棒晶的生长，另一方面将β-Si₃N₄棒晶牢固地结合，提高多孔Si₃N₄陶瓷力学强度。由于Si₃N₄陶瓷的致密化程度与液相量密切相关，通过调节添加剂用量和烧结工艺，可达到控制气孔率的目的，但气孔率一般在30％左右，超过60％则烧结困难。

碳热还原法，如中国专利200610041867.7中提出了碳热还原法制备多孔氮化硅的方法。在高温下由二氧化硅在氮气中引发3SiO₂+6C+2N₂→Si₃N₄+6CO的反应生成氮化硅，利用上述反应也尝试制备了氮化硅多孔陶瓷。不足之处是碳热还原法需要少量的氮化硅作为晶种，一定程度上提高了生产成本，由于反应有44％的失重导致烧结过程中产品有较大的收缩，对生产要求形状构件非常不利。

模板法通常是用Si₃N₄原料包覆有机物，然后去除有机物烧结而保留孔洞。有机造孔剂主要有天然纤维、高分子聚合物和有机酸，如淀粉、糊精、锯末、尿素、萘、氨基酸衍生物、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲脂、聚苯乙烯、聚乙烯缩丁醛等。模板留下的孔洞还为氮气流通提供了通道，所以可采用便宜的Si粉取代Si₃N₄原料，经过高温氮化制备含有一定气孔率的产品。

然而，目前公开的技术所制备的Si₃N₄陶瓷气孔率难以进一步提高。

发明内容

本发明提出一种氮化硅多孔陶瓷的制备方法，该制备方法获得的氮化硅多孔陶瓷气孔率高且抗弯强度高。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种氮化硅多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

1)按照重量百分数计算，称取氮化硅粉体40～95％、烧结助剂1～20％与稀土氟化物2～6％，混合均匀得到混合料；

2)将步骤1)的混合料加入到质量浓度为0.5％～10％聚乙烯醇溶液中，进行球磨，球磨时间为2～24h，浆料烘干、过筛，然后模压成型为坯件；

3)将坯件在氮气气氛下快速升温到1100℃，再慢速升温到1500℃，然后以0.6℃/min的升温速度升温到1700～1850℃，保温1～10小时，烧结过程中始终通入流动氮气，最后随炉冷却，即获得氮化硅多孔陶瓷；

其中，所述烧结助剂由氧化镁、二氧化硅与碳酸钡组成。

作为优选，本发明的一些实施例中，按照重量百分数计算，烧结助剂中氧化镁含量为10～20％，二氧化硅10～20％，碳酸钡55～75％。

作为优选，本发明的一些实施例中，氮化硅粉体的粒径为0.1～10μm。

作为优选，本发明的一些实施例中，步骤2)采用氧化锆陶瓷球、氧化铝陶瓷球或氮化硅陶瓷球进行球磨，球料比为2～5∶1。

作为优选，本发明的一些实施例中，稀土氟化物为CeF₃、YbF₃、LaF₃或者NdF₃。

本发明的有益效果：