[发明专利]氮化硅纳米线增强多孔氮化硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮化硅纳米线增强多孔氮化硅复合材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：（1）将聚合物单体、交联剂、分散剂、造孔剂和去离子水混合，再将氮化硅陶瓷粉体、一氧化硅、纳米线催化剂和烧结助剂与上述混合溶液混合后预球磨；（2）调节所得预混合浆料的pH值为8.5～11.5，球磨；再真空除气后与引发剂混合；（3）将所得的注模浆料进行注模成型，脱模后干燥，排胶处理；（4）将所得的氮化硅陶瓷坯体在保护气氛下进行烧结，得到该复合材料。该方法具有纳米线位置和数量可控、可适应复杂形状及大尺寸构件成型、设备简单，工艺安全可控等优点，相应地所制备的复合材料断裂韧性高。

技术领域

本发明涉及多孔陶瓷复合材料制备技术领域，尤其涉及一种氮化硅纳米线增强多孔氮化硅复合材料及其制备方法。

背景技术

氮化硅陶瓷具有优异的常温及高温力学性能、良好的耐高温性能及抗热震性，在高温耐热结构部件、切削刀具、耐高温轴承、坩埚以及透波构件等领域具有很好的应用前景，但其固有的脆性限制了进一步应用。一维氮化硅纳米线材料继承了氮化硅陶瓷的优异性能，如耐高温、高弹性模量、高强度以及良好的热稳定性和化学稳定性等，采用其作为增强体有望提高氮化硅陶瓷的断裂韧性。

在复合材料中引入纳米线的方式通常有两种：一种为外部添加，通过物理和机械的方法进行混合；通过外部添加的方式能显著提高陶瓷材料的力学性能，但仍存在纳米线分布不均匀、界面物理匹配与化学相容性较差等不足。另一种为原位生长，通过气相生长法等在基体上原位合成纳米线。目前国内外关于原位制备一维氮化硅纳米结构增强多孔氮化硅材料的报道十分有限。

201310157262.4公开了一种氮化硅纳米线增强多孔氮化硅陶瓷的方法，将高纯纳米硅粉、α-氮化硅陶瓷粉、造孔剂、氧化物粉、液体磷酸进行球磨混合，经冷等静压处理，低温热处理后高温烧制，得到高孔隙率（≥40%）、高强度（≥50 MPa）的氮化硅纳米线增强氮化硅多孔陶瓷。201710024218.4公开了一种氮化硅纳米线增强多孔碳化硅材料及其制备方法，以碳化硅粉、硅粉、催化剂和氮源为原料制备陶瓷浆料，并向陶瓷浆料加入发泡剂得到陶瓷泡沫浆料，经注模、干燥和脱模得到陶瓷坯体，最后在氮气气氛下加热即得氮化硅纳米线增强多孔碳化硅材料。C. Vakifahmetoglu等以聚硅氧烷为原料，FeCl₂为催化剂，采用有机先驱体转化法制备了氮化硅或碳化硅纳米线增强的多孔Si-O-C陶瓷（C.Vakifahmetoglu, et al. J. Am. Ceram. Soc., 2010, 93[4]: 959–968）。D. Li等以正辛烷为发泡剂、二茂铁为催化剂，采用发泡法制备了碳化硅纳米线增强氮化硅复合材料（D.Li, et al. Sci. Technol. Adv. Mater., 2014, 15: 045003）。以上诸多制备方法较难实现多孔氮化硅陶瓷孔隙率和孔径大小分布的精确调控，且工艺条件相对复杂，也较难实现大尺寸复杂性状构件的成型（有机先驱体转化法除外）；而有机先驱体转化法需预先设计并合成先驱体，成本较高，工艺安全性也有待进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种纳米线位置和数量可控、可适应复杂形状及大尺寸构件成型、设备简单，工艺安全可控的氮化硅纳米线增强多孔氮化硅复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种氮化硅纳米线增强多孔氮化硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将聚合物单体、交联剂、分散剂、造孔剂和去离子水混合，得到混合溶液；再将混合固相与所述混合溶液混合后预球磨，得到预混合浆料；所述混合固相包括氮化硅陶瓷粉体、一氧化硅、纳米线催化剂和烧结助剂；

（2）在步骤（1）所得的预混合浆料中加入pH调节剂至pH值为8.5～11.5，球磨，得到混合浆料；将所述混合浆料在搅拌条件下进行真空除气，再与引发剂混合，得到注模浆料；