[发明专利]多孔Si3N4陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Si₃N₄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。

制备多孔Si₃N₄陶瓷的方法有非全致密烧结留孔法和模板法等。

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。

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。但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

本发明为了解决现有技术制备多孔Si₃N₄陶瓷气孔率低的问题，而提供一种多孔Si₃N₄陶瓷的制备方法。

多孔Si₃N₄陶瓷的制备方法按以下步骤实现：一、按质量百分比将30～99.5％的α-Si₃N₄粉末和0.5％～70％助烧剂混合均匀；二、将步骤一制得的 混合物加入到质量浓度为0.5％～10％聚乙烯醇溶液中，球磨混合1～12h制成泥浆；三、将步骤二制得的泥浆在-170℃～5℃冷冻1～72h，然后在相同温度、真空度小于5Pa条件下静置1～10天，得坯体；四、将步骤三制得的坯体用Si₃N₄与BN的混合粉末掩埋，Si₃N₄与BN的重量比为1∶1，然后在压力为0.1～100MPa的氮气中，以升温速率为5～200℃/min升温到1500～2200℃，保温1～72h，随炉冷却至室温，即得多孔Si₃N₄陶瓷；其中步骤一中的助烧剂为BaO·xAl₂O₃·ySiO₂，0.5＜x＜4，0.5＜y＜4；步骤二中聚乙烯醇溶液的体积占泥浆总体积的30～95％；步骤二中采用氧化锆陶瓷球、氧化铝陶瓷球或氮化硅陶瓷球进行球磨，球料比为2～5∶1。

本发明方法将α-Si₃N₄和助烧剂原料用聚乙烯醇水溶液混合成泥浆并冰冻，低温真空除水，然后再经高温烧结。冰晶的生长将陶瓷颗粒推挤到各冰晶的边界，起到模板造孔的作用。位于冰晶边界的陶瓷颗粒能够充分接触，有利于烧结。低温真空干燥依靠冰的升华，无液态水出现，因此冰晶逐渐地转变为干坯的孔隙而不发生坍缩，因此坯体干燥前后几乎无收缩变形。坯体中的陶瓷颗粒先后被冰晶及聚乙烯醇粘接，因此有较高的强度。