[发明专利]一种高孔隙率和高强度的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明属于多孔陶瓷材料技术领域，公开了一种高孔隙率和高强度的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用。所述氮化硅陶瓷是将硅粉、硼粉、MgO、Yb₂O₃、ZrO₂加入溶剂进行球磨混合，其中ZrO₂与硼粉的质量比为(2～6)：(5～13)，将混合粉体模压制成的混合粉末坯体，在反应气氛下，在真空条件下升温至800～1200℃煅烧并保温Ⅰ，再升温至1200～1600℃煅烧并充入反应气体N₂保温Ⅱ制得。所述氮化硅陶瓷中气孔率达到了25～65vol％，室温抗弯强度为75～287MPa；氮化硅陶瓷中β‑Si₃N₄的含量10～60vol％。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种高孔隙率和高强度的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

多孔氮化硅陶瓷作为多孔陶瓷材料的一种类别，可以看作是由气固两相组成的复相陶瓷材料，作为一种结构陶瓷它不仅具备了陶瓷材料强度高、耐腐蚀、耐热震等优点，还有着巨大的比表面积和可控的孔隙结构，使陶瓷材料具有了更小的密度、更轻的质量、更小的导热系数。这不仅拓宽了陶瓷材料的应用领域，而且使其成为替代传统材料最理想的材料之一，因其优异的物理化学性能，在环保、能源、航空、生物医学等传统和新型领域有着广泛的应用。在汽车尾气处理、工业废气排放、污水过滤等方面，多孔陶瓷材料作为催化剂载体的一种，有着传统金属催化剂载体无法比拟的自身优势，更长的使用寿命和更优异的物化性质使其在催化剂载体领域有着必然的应用趋势，也使得多孔陶瓷的制备成为近些年学者们关注的热点。

已报道文献中多孔氮化硅陶瓷的制备温度大多在1700～1800℃，且室温弯曲强度大多在10～150Mpa，这是由于α-Si₃N₄晶粒短小，无法形成有效的多孔材料的组织结构，提高陶瓷材料的整体强度，所以必须使得基体的Si₃N₄以β-Si₃N₄相存在，长柱状β-Si₃N₄晶粒具有能够改善材料的抗弯强度和断裂韧性特点，多种研究表明，长柱状β-Si₃N₄晶粒，能够起到支撑基体的作用，就如同水泥中的钢筋一样，能够提高整体的强度。多孔氮化硅陶瓷通过β-Si₃N₄之间交叉形成可以鸟巢状的结构，加强材料的整体强度，但是α-Si₃N₄到β-Si₃N₄的转变需要1700℃，这就使得多孔氮化硅陶瓷的烧结温度不能太低，现阶段大部分的多孔氮化硅陶瓷的制备都是通过造孔剂生成大量孔洞，并且在高温环境下，使得α-Si₃N₄发生相变，生成β-Si₃N₄，虽然生成的β-Si₃N₄能够有效的与加强材料结合得到一定的强度，但是由于使用高温烧结的方法，显著提高了此类陶瓷的生产成本。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种高孔隙率和高强度的氮化硅陶瓷。该陶瓷具有优异的力学性能和高孔隙率。

本发明的另一目的在于提供上述高孔隙率和高强度的氮化硅陶瓷的制备方法。该方法的制备成本低。

本发明再一目的在于提供上述高孔隙率和高强度的氮化硅陶瓷的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：