Cómo producir material cerámico poroso de nitruro de silicio

La cerámica porosa de nitruro de silicio tiene las propiedades de la cerámica de nitruro de silicio y de los materiales porosos. No solo tienen las ventajas de alta resistencia, buena tenacidad, resistencia a la fluencia, estabilidad estructural, resistencia a la corrosión por lluvia y resistencia al choque térmico de las cerámicas de nitruro de silicio, sino que también tienen las características de baja densidad, baja constante dieléctrica y pérdida dieléctrica de los materiales porosos. El excelente rendimiento de la cerámica porosa de nitruro de silicio determina que tenga amplias perspectivas de aplicación. Debido a su resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia al choque térmico, alta apertura, poros internos y otras características, la cerámica porosa de nitruro de silicio se utiliza ampliamente en los campos de la filtración de humo y gas, el soporte de catalizadores, etc. También se pueden utilizar en el campo aeroespacial y de la aviación como materiales de radomo utilizados en entornos hostiles. La preparación de productos cerámicos con mayor resistencia y porosidad es el tema de investigación de los materiales cerámicos porosos de nitruro de silicio. Dado que la temperatura de transición de fase del nitruro de silicio se lleva a cabo a alta temperatura y las propiedades cerámicas del nitruro de silicio también dependen del proceso y la microestructura, reduzca la temperatura de sinterización de la cerámica de nitruro de silicio, el uso de tecnología de sinterización avanzada es un tema candente en la investigación de cerámicas porosas de nitruro de silicio. Los métodos de preparación de la cerámica porosa de nitruro de silicio se describen brevemente a continuación: (1) Método de reducción carbotérmica: el nitruro de silicio poroso preparado con este método se forma in situ mediante una reacción de reducción carbotérmica de dióxido de silicio y carbono baratos en una atmósfera de nitrógeno a alta temperatura α- Después del Si3N4, bajo la acción de los aditivos de sinterización, la fase pasa a ser β- Si3N4。 El nitruro de silicio poroso se obtuvo debido a una pérdida de peso del 44%. Como las partículas de óxido de silicio y polvo de carbono son relativamente pequeñas, el diámetro de los poros del cuerpo sinterizado es pequeño, la superficie específica es grande y la estructura de rejilla espacial está formada, por lo que se puede utilizar como dispositivo de filtro. Además, la amplia gama de fuentes de carbono hace que los productos acabados preparados con este método muestren diversidad, lo que puede satisfacer las necesidades de diferentes aplicaciones. Por ejemplo, la cerámica porosa de nitruro de silicio con una estructura de madera similar se puede preparar utilizando madera como fuente de carbono. (2) Método de fundición en gel: este método lo propuso por primera vez el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, lo que significa que el lodo se puede solidificar en un cuerpo verde in situ mediante la reacción química del lodo o una pequeña cantidad de aditivos. En el proceso de fundición en gel, se obtuvo nitruro de silicio poroso debido a la quema de compuestos orgánicos, a la densificación parcial de la sinterización sin presión y a la hidrólisis del nitruro de silicio en condiciones alcalinas. Figura 1 diagrama de flujo del proceso de fundición en gel para cerámicas porosas de nitruro de silicio La fundición en gel se aplica inicialmente a la preparación de cerámicas compactas. Tiene las ventajas de una estructura uniforme, un mecanizado fino y piezas con forma casi neta y compleja. La cerámica porosa de nitruro de silicio se preparó con este método β- La estructura porosa del grano de Si3N4 se preparó mediante el uso de sol de sílice como monómero y proceso sol-gel. Tras el moldeo, el óxido de silicio se envuelve en la superficie del polvo de nitruro de silicio, lo que inhibe la oxidación y la descomposición del nitruro de silicio a altas temperaturas. Por lo tanto, el nitruro de silicio se puede sinterizar en una atmósfera de aire sin añadir una atmósfera protectora. El óxido de silicio también se puede utilizar como aditivo de sinterización en el proceso de sinterización para mejorar la resistencia del cuerpo sinterizado. Sin añadir una gran cantidad de materia orgánica, el proceso de sinterización se simplifica y el rendimiento de los productos está garantizado. (3) Método de prensado parcial en caliente: las cerámicas porosas de nitruro de silicio preparadas con este método con Y2O3, MgO y Cao como aditivos se componen de muchas columnas de grano de β- Si3N4 y parte residual de α- Si3N4 se compone de poros columnares largos β- Si3N4 se forma por superposición y su forma es irregular. Tiene la ventaja de controlar la porosidad de la cerámica porosa y no tiene aditivos. (4) Método de añadir un agente formador de poros: este método puede cambiar arbitrariamente el tipo, la cantidad y el diámetro de partícula del agente formador de poros y puede fabricar cerámica porosa con diferentes tamaños y distribuciones de poros. En comparación con otros métodos, el coste de añadir un agente formador de poros es el más bajo. En este proceso, la cerámica porosa se prepara añadiendo un agente formador de poros a los ingredientes cerámicos, utilizando un agente formador de poros para ocupar un espacio determinado en el cuerpo verde y, a continuación, sinterizando, y el agente formador de poros abandona la matriz para formar poros. Figura 2: Ruta del proceso para añadir un agente formador de poros para preparar los materiales (5) Método de consolidación del almidón: añadiendo almidón como agente formador de poros y agente de consolidación, este proceso puede llevar a cabo una sinterización por oxidación parcial al aire para preparar compuestos de matriz de nitruro de silicio porosos con una porosidad de hasta el 73,17%. En este método, se utilizan nitruro de silicio, nitruro de boro y dióxido de silicio como materiales de matriz cerámica, que se preparan mediante un proceso de consolidación del almidón y sinterización por oxidación parcial a presión atmosférica. La porosidad y la estructura de los poros se controlan controlando la fracción de volumen, el tamaño y la geometría del almidón para controlar las propiedades finales del material. (6) Método de moldeo por extrusión: este método utiliza metilcelulosa como aglutinante para preparar la suspensión de nitruro de silicio y utiliza una matriz de extrusión con émbolo para preparar cerámicas porosas de nitruro de silicio mediante el método de moldeo por extrusión. Polvo de nitruro de silicio utilizado α El contenido de fase es superior al 95% y el tamaño medio de las partículas es de aproximadamente 1 μm。 La metilcelulosa se utiliza como aglutinante y el óxido de itrio como aditivo sinterizante. (7) Método de revestimiento porógeno: este método puede preparar cerámicas porosas de nitruro de silicio con una porosidad de hasta el 70% y una porosidad continua. La porosidad de la muestra aumenta con el aumento del porógeno del recubrimiento. El uso del método de recubrimiento separa los poros entre sí y evita la fuente de macrofracturas provocada por la superposición de los poros. La resistencia a la flexión del nitruro de silicio poroso preparado con este método es mucho mayor que la del nitruro de silicio sin recubrimiento, que muestra la microestructura de las dislocaciones de alta densidad. Las dislocaciones están en un estado de alta energía, por lo que la resistencia a la corrosión se reduce. （8） En otros países, el desarrollo y la aplicación de la cerámica porosa de nitruro de silicio están por delante de los de China, especialmente en Japón. Tomando como ejemplo la Asociación de Investigación Cerámica de Nagoya (Japón), han logrado un gran avance en la tecnología de control de poros y han fabricado materiales cerámicos anisotrópicos de nitruro de silicio poroso. Algunos investigadores obtuvieron productos cerámicos de nitruro de silicio poroso con una porosidad del 0 al 50% mediante el estudio de los métodos de preparación. En la década de 1980, basándose en la densidad de la cerámica de nitruro de silicio, Boeing desarrolló con éxito un método de preparación que puede controlar la densidad de la cerámica. La densidad se puede preparar a partir de cerámicas porosas de nitruro de silicio de la gama de 0,5 a 1,8 g/cm³, y se ha desarrollado con éxito un radomo de banda ancha múltiple. Se analiza el progreso de la investigación de la cerámica porosa en el país y en el extranjero. La preparación de cerámicas porosas de nitruro de silicio con poros de alta resistencia y controlables es la dirección de desarrollo del nitruro de silicio. El método tradicional nacional de preparación de cerámicas porosas de nitruro de silicio es principalmente el método de añadir un agente formador de poros. Aunque este método es sencillo, hay algunos problemas que resolver, como la alta temperatura de sinterización y la baja porosidad. Los estudiosos han estudiado diferentes métodos de preparación y han mejorado los procesos de preparación para obtener materiales cerámicos porosos con buenas propiedades, que sigue siendo uno de los puntos críticos de investigación de la cerámica de nitruro de silicio.