如何生产多孔氮化硅陶瓷材料

多孔氮化硅陶瓷具有氮化硅陶瓷和多孔材料的特性。它们不仅具有氮化硅陶瓷的高强度、良好的韧性、抗蠕变性、结构稳定性、耐雨水腐蚀和耐热冲击性的优点，而且还具有低密度、低介电常数和多孔材料介电损耗的特点。多孔氮化硅陶瓷的优异性能决定了其具有广阔的应用前景。由于其耐高温、耐腐蚀、耐热冲击、高开度、内孔等特点，多孔氮化硅陶瓷被广泛应用于烟气过滤、催化剂载体等领域。它们还可用作在恶劣环境中使用的雷达罩材料，用于航空航天和航空领域。 制备强度更高、孔隙率更高的陶瓷制品是氮化硅多孔陶瓷材料的研究课题。由于氮化硅的相变温度是在高温下进行的，而且氮化硅的陶瓷特性也取决于工艺和微观结构，因此降低了氮化硅陶瓷的烧结温度，使用先进的烧结技术是氮化硅多孔陶瓷研究的热点问题。 多孔氮化硅陶瓷的制备方法简述如下： （1）碳热还原法：该方法制备的多孔氮化硅是在高温氮气氛中通过廉价二氧化硅和碳的碳热还原反应原位形成的 α-Si3N4之后，在烧结添加剂的作用下，该相变为β-Si3N4。由于重量减轻了44％，因此获得了多孔氮化硅。 由于氧化硅和碳粉颗粒相对较小，烧结体的孔径小，比表面积大，并且形成了空间网格结构，因此可以用作过滤装置。而且，广泛的碳源使得通过这种方法制备的成品表现出多样性，可以满足不同应用的需求。例如，使用木材作为碳源可以制备具有相似木材结构的多孔氮化硅陶瓷。 （2）凝胶铸造法：该方法最早由橡树岭国家实验室提出，这意味着通过浆液或少量添加剂的化学反应，浆液可以原位凝固成绿色体。在凝胶铸造过程中，由于有机化合物的燃烧、非压力烧结的部分致密化以及碱性条件下氮化硅的水解，获得了多孔氮化硅。 图 1 多孔氮化硅陶瓷凝胶铸造工艺流程图 凝胶铸造最初用于制备紧凑型陶瓷。它具有结构均匀、加工精细、形状和形状复杂的零件的优点。用这种方法制备了多孔氮化硅陶瓷 β-使用硅溶胶作为单体和溶胶-凝胶工艺制备了Si3N4晶粒的多孔结构。成型后，氧化硅被包裹在氮化硅粉末的表面，从而抑制氮化硅在高温下的氧化和分解。因此，氮化硅可以在不增加保护气氛的情况下在空气气氛中烧结。氧化硅还可以在烧结过程中用作烧结添加剂，以提高烧结体的强度。在不添加大量有机物的情况下，简化了烧结过程，保证了产品的性能。 （3）局部热压法：该方法制备的以Y2O3、MgO和CaO为添加剂的多孔氮化硅陶瓷由许多柱体β-Si3N4晶粒组成，一些残留的α-Si3N4由长柱状孔组成 β-Si3N4通过重叠形成，其形状不规则。它具有控制多孔陶瓷孔隙度且不含添加剂的优点。 （4）添加孔形成剂法：该方法可以任意改变孔形成剂的种类、量和颗粒直径，可以制成具有不同孔径和分布的多孔陶瓷。与其他方法相比，添加孔形成剂的成本最低。在这个过程中，多孔陶瓷是通过在陶瓷原料中加入孔形成剂，使用孔形成剂在绿体中占据一定的空间，然后进行烧结，孔形成剂离开基体形成孔隙来制备多孔陶瓷。 图2 添加孔形成剂制备材料的工艺路线 （5）淀粉固结法：通过添加淀粉作为孔形成剂和固结剂，该工艺可以在空气下进行部分氧化烧结，制备出孔隙率高达73.17％的多孔氮化硅基复合材料。在该方法中，使用氮化硅、氮化硼和二氧化硅作为陶瓷基体材料，这些材料是通过淀粉固结过程和大气压部分氧化烧结制得的。通过控制淀粉的体积分数、大小和几何形状来控制孔隙度和孔隙结构，从而控制材料的最终特性。 （6）挤出成型法：该方法使用甲基纤维素作为粘合剂制备氮化硅浆料，使用柱塞挤出模具通过挤出成型法制备多孔氮化硅陶瓷。使用的氮化硅粉末α相含量大于95％，平均粒径约为1μm。甲基纤维素用作粘合剂，氧化钇用作烧结添加剂。 （7）涂层孔隙法：该方法可以制备孔隙率高达70％且透过孔隙度的多孔氮化硅陶瓷。样品的孔隙率随着涂层孔隙度的增加而增加。涂层方法的使用使孔隙相互分离，避免了由孔隙叠加引起的宏观断裂源。通过这种方法制备的多孔氮化硅的弯曲强度远高于未涂层的氮化硅，这显示了高密度位错的微观结构。位错处于高能状态，因此耐腐蚀性降低。 （8） 在国外，多孔氮化硅陶瓷的开发和应用领先于中国，尤其是日本。以日本名古屋陶瓷研究协会为例，他们在孔隙控制技术方面取得了重大突破，并制造了各向异性多孔氮化硅陶瓷材料。一些研究人员通过制备方法的研究，获得了孔隙率为0~ 50% 的多孔氮化硅陶瓷制品。20世纪80年代，基于氮化硅陶瓷的密度，波音成功开发出一种可以控制陶瓷密度的制备方法。该密度可由0.5~1.8g/cm ³ 范围内的氮化硅多孔陶瓷制备，并且已成功开发出多宽带雷达罩。 分析了国内外多孔陶瓷的研究进展。制备强度高、孔隙可控的多孔氮化硅陶瓷是氮化硅的发展方向。国内制备多孔氮化硅陶瓷的传统方法主要是添加孔形成剂的方法。尽管这种方法很简单，但仍有一些问题需要解决，例如烧结温度高和孔隙率低。学者们研究了不同的制备方法和改进的制备工艺，以获得具有良好性能的多孔陶瓷材料，这仍然是氮化硅陶瓷的研究热点之一。