[发明专利]一种制备梯度多孔氮化硅陶瓷材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种梯度多孔氮化硅陶瓷材料的制备方法，属于多孔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，且多孔氮化硅体系中存在着β-Si₃N₄长柱状晶相互交联的增强机制，比其它多孔陶瓷有更优异的力学性能和抗热震性能，因此在高温气体过滤、传感器、催化剂载体、分离膜等领域有广泛的应用前景。为满足不同领域的需求，关于多孔氮化硅陶瓷制备方法有很多的报道，但对于梯度多孔陶瓷的报道相对较少。中国专利CN101182233A公开了一种流延法结合冷冻干燥制备具有开口定向孔结构和高孔隙率以及孔径在膜厚度方向梯度变化的多孔陶瓷膜。Chen报道了一种热喷涂技术在多孔氮化硅表面制备致密氮化硅获得梯度结构(Fei Chen,Journal of the Ceramic Society of Japan 117[4]445-4482009)。中国专利CN101698605A公开了一种以崁烯作为溶剂，通过控制冷冻的温度梯度实现崁烯在一定方向形成由小变大的树枝状，冷冻干燥后获得具有梯度的多孔结构。中国专利CN103145438A公开一种多次冷冻不同组分的浆料，获得了孔隙率由内向外减小、具有内疏外密的仿生结构梯度多孔材料。

鉴于梯度多孔氮化硅陶瓷材料的实用性，如何简便地制备这一材料仍然是该领域技术人员的研究方向之一。

发明内容

本发明旨在进一步拓展梯度多孔氮化硅陶瓷材料的制备方法，本发明提供了一种简便地制备梯度多孔氮化硅陶瓷材料的方法。

本发明提供了一种制备梯度多孔氮化硅陶瓷材料的方法，所述方法包括：

1)将氮化硅粉体、烧结助剂、粘结剂与水混合球磨，得到水基浆料；

2)将步骤1)制备的水基浆料在50～90kPa的真空度下发泡并同时进行冷冻冻结，然后进行冷冻干燥，从而得到梯度多孔氮化硅陶瓷素坯；

3)将步骤2)制备的梯度多孔氮化硅陶瓷素坯脱粘结剂、烧结得到梯度多孔氮化硅陶瓷材料。

较佳地，步骤1)中，烧结助剂为Y₂O₃、Al₂O₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃、Sm₂O₃、SiO₂、Nd₂O₃、Eu₂O₃中的至少一种。

较佳地，步骤1)中，氮化硅、烧结助剂、粘结剂与水之间的比例为(10～250)：(0.2～25)：(0.05～10)：100。

较佳地，步骤1)中，所述粘结剂为水溶性粘结剂，包括聚乙烯醇、聚乙二醇、水溶性异丁烯类聚合物包括异丁烯马来酸酐聚合物。

较佳地，步骤2)中，所述冷冻冻结的温度为-70～-10℃，时间为1～48小时。

较佳地，步骤2)中，所述冷冻干燥的真空度为1～100Pa，干燥温度为0～80℃，干燥时间为24～48小时。

较佳地，步骤3)中，脱粘结剂是在空气条件下，以0.2～2℃/分钟的升温速率升温至400～800℃，保温0.5～5小时。

较佳地，步骤3)中，烧结是在氮气条件下，以1～10℃/分钟升至1500～1950℃，保温1～12小时，氮气的压力为0.1-5MPa。

较佳地，通过调节步骤2)中的所述真空度来控制所得梯度多孔氮化硅陶瓷材料的气孔率。真空度越小，气孔率越大。

较佳地，所得梯度多孔氮化硅陶瓷材料的气孔率为72～95％，孔径分布为0.1～300μm，优选为0.3～200μm。

本发明的有益效果：

本发明的目的是通过真空发泡结合冷冻干燥法，工艺简单，成本低廉的方法制备梯度多孔氮化硅陶瓷。气孔率可达80～95％，孔径分布为0.1-300μm。气孔率可以通过真空度的大小来调节。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中制备得到的氮化硅坯体(a)和多孔氮化硅陶瓷(b)的XRD图；

图2示出了本发明的一个实施方式中制备得到的多孔氮化硅陶瓷的断面扫描电镜图片；

图3示出了本发明的一个实施方式中制备得到梯度多孔氮化硅陶瓷的孔径分布；

图4示出了本发明的一个实施方式中制备得到梯度多孔氮化硅陶瓷的实物照片。

具体实施方式