[发明专利]一种制备多孔氮化硅陶瓷材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔氮化硅陶瓷材料的制备方法，具体说，是涉及一种以淀粉固化结合冷冻干燥技术制备高开口气孔率、低密度并且拥有较好强度的氮化硅陶瓷材料的方法，属于陶瓷材料制备技术领域。

背景技术

多孔氮化硅陶瓷材料由于具有轻质、耐高温、耐腐蚀等特点，在高温气体过滤、传感器、催化剂载体、分离膜等领域有广泛的应用前景，因此关于多孔氮化硅陶瓷的制备方法成为目前研究的热点之一。例如：中国专利文献CN1473140A公开了一种以金属Si粉为原料，Sm₂O₃、Er₂O₃、Yb₂O₃等为烧结助剂，在频率28GHz的微波加热下制备高气孔率(＞78％)，高强度(＞200MPa)的多孔氮化硅陶瓷的方法，但其气孔多为闭气孔，无法应用于过滤等领域。Yu等人(J Sol-Gel Sci Technol(2010)53：515～523)公开了一种用凝胶注模法制备多孔氮化硅陶瓷的方法，通过调节有机单体的含量和比例，控制坯体的气孔率，从而获得气孔率大于50％，强度大于130MPa的样品。Yang等人(Acta Materialia(2002)50：4831～4840)公开了一种以氮化硅和碳粉为原料，通过原位反应烧结制备碳化硅结合氮化硅多孔陶瓷的方法，所制备材料的气孔率为50～70％，抗弯强度为100～20MPa。Shan等人(Scripta Materialia(2007)56：193～196)公开了一种以二氧化硅和碳粉为原料，热碳还原氮化反应制备多孔氮化硅陶瓷的方法，得到的样品气孔率为68.8％，抗弯强度为19.6MPa。

但如何制备高开口气孔率、低密度并且拥有较好强度的氮化硅陶瓷材料，至今未见相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备高开口气孔率、低密度并且拥有较好强度的氮化硅陶瓷材料的方法，以填补本领域的技术空白。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种制备多孔氮化硅陶瓷材料的方法，包括如下步骤：

a)将淀粉与水在40～90℃下搅拌，制得预凝胶化淀粉；

b)向预凝胶化淀粉中加入氮化硅、烧结助剂、粘结剂及消泡剂，球磨使混合均匀，制得混合浆料；

c)将步骤b)制得的混合浆料浇注成型，进行脱气、固化、使样品完全冻结及冷冻干燥处理，制得多孔氮化硅陶瓷坯体；

d)升温脱除步骤c)制得的多孔氮化硅陶瓷坯体中的有机挥发物；

e)进行烧结，烧结后样品随炉冷却，即得所述的多孔氮化硅陶瓷材料。

步骤a)中的淀粉与水的质量比推荐为0.01∶1～0.2∶1，优选为0.04∶1～0.12∶1。

步骤a)中的搅拌时间推荐为5～30分钟。

步骤b)中的氮化硅、烧结助剂、粘结剂及消泡剂与水的质量比依次推荐为：(0.5～1)∶(0.01～0.1)∶(0～0.1)∶(0.001～0.02)∶1。

所述的烧结助剂推荐为Y₂O₃、Y(NO₃)₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃、Nd₂O₃、Er₂O₃、Al₂O₃、SiO₂、Li₂O中的任意一种或二种以上以任意比例组成的混合物。

所述的粘结剂推荐为聚乙烯醇或甲基纤维素。

所述的消泡剂推荐为正辛醇。

步骤c)中的脱气处理推荐为：在真空干燥箱中，于常温、100Pa以下真空脱气10分钟以上。

步骤c)中的固化处理推荐为：在50～90℃的密闭烘箱内固化30～90分钟。

步骤c)中的使样品完全冻结处理推荐为：使样品在低于-10℃的低温环境中放置4～48小时。

步骤c)中的冷冻干燥处理推荐为：在0～80℃和5～100Pa的环境下冷冻干燥6～48小时。

步骤d)中的升温脱除有机挥发物的操作推荐为：在空气中以低于2℃/min的升温速率升到600℃，然后保温1～12小时。

步骤e)中的烧结条件推荐为：在氮气气氛下，以5～10℃/min升到1300～1950℃，然后烧结保温1～12小时。