Comment produire une céramique poreuse au nitrure de silicium

Les céramiques poreuses au nitrure de silicium ont les propriétés des céramiques au nitrure de silicium et des matériaux poreux. Elles présentent non seulement les avantages de la haute résistance, de la bonne ténacité, de la résistance au fluage, de la stabilité structurelle, de la résistance à la corrosion par la pluie et de la résistance aux chocs thermiques des céramiques au nitrure de silicium, mais elles présentent également les caractéristiques d'une faible densité, d'une faible constante diélectrique et d'une perte diélectrique des matériaux poreux. Les excellentes performances des céramiques poreuses au nitrure de silicium leur confèrent de larges perspectives d'application. En raison de leur résistance aux hautes températures, de leur résistance à la corrosion, de leur résistance aux chocs thermiques, de leur ouverture élevée, de leurs pores internes et d'autres caractéristiques, les céramiques poreuses au nitrure de silicium sont largement utilisées dans les domaines de la filtration des fumées et des gaz, des supports catalytiques, etc. Ils peuvent également être utilisés dans les domaines de l'aérospatiale et de l'aviation comme matériaux pour les radômes utilisés dans des environnements difficiles. La préparation de produits céramiques plus résistants et plus poreux est le sujet de recherche sur les matériaux céramiques poreux au nitrure de silicium. Étant donné que la température de transition de phase du nitrure de silicium est réalisée à haute température et que les propriétés céramiques du nitrure de silicium dépendent également du processus et de la microstructure, réduisez la température de frittage des céramiques au nitrure de silicium. L'utilisation de technologies de frittage avancées est un sujet brûlant dans la recherche sur les céramiques poreuses au nitrure de silicium. Les méthodes de préparation des céramiques poreuses au nitrure de silicium sont brièvement décrites ci-dessous : (1) Méthode de réduction carbothermique : le nitrure de silicium poreux préparé selon cette méthode est formé in situ par réaction de réduction carbothermique entre du dioxyde de silicium bon marché et du carbone dans une atmosphère d'azote à haute température α- Après Si3N4, sous l'action d'additifs de frittage, la phase devient β- Si3N4。 Le nitrure de silicium poreux a été obtenu grâce à une perte de poids de 44 %. Comme les particules d'oxyde de silicium et de poudre de carbone sont relativement petites, le diamètre des pores du corps fritté est petit, la surface spécifique est grande et la structure en grille spatiale est formée, de sorte qu'il peut être utilisé comme dispositif de filtrage. De plus, le large éventail de sources de carbone confère aux produits finis préparés selon cette méthode une grande diversité, ce qui peut répondre aux besoins des différentes applications. Par exemple, les céramiques poreuses au nitrure de silicium ayant une structure en bois similaire peuvent être préparées en utilisant du bois comme source de carbone. (2) Méthode de moulage en gel : cette méthode a été proposée pour la première fois par le laboratoire national d'Oak Ridge, ce qui signifie que la suspension peut être solidifiée en un corps vert in situ par réaction chimique de la suspension ou d'une petite quantité d'additifs. Lors du moulage sur gel, du nitrure de silicium poreux a été obtenu grâce à la combustion de composés organiques, à la densification partielle par frittage sans pression et à l'hydrolyse du nitrure de silicium dans des conditions alcalines. Fig. 1 Organigramme du processus de moulage sur gel pour les céramiques poreuses au nitrure de silicium Le moulage sur gel est d'abord appliqué à la préparation de céramiques compactes. Il présente les avantages d'une structure uniforme, d'un usinage fin et de pièces de forme presque nette et de forme complexe. Les céramiques poreuses au nitrure de silicium ont été préparées selon cette méthode β- La structure poreuse du grain de Si3N4 a été préparée en utilisant du sol de silice comme monomère et en utilisant un procédé sol-gel. Après le moulage, de l'oxyde de silicium est enroulé à la surface de la poudre de nitrure de silicium, ce qui empêche l'oxydation et la décomposition du nitrure de silicium à haute température. Le nitrure de silicium peut donc être fritté dans l'atmosphère sans ajouter d'atmosphère protectrice. L'oxyde de silicium peut également être utilisé comme additif de frittage dans le processus de frittage afin d'améliorer la résistance du corps fritté. Sans ajouter une grande quantité de matière organique, le processus de frittage est simplifié et les performances des produits sont garanties. (3) Méthode de pressage partiel à chaud : les céramiques poreuses au nitrure de silicium préparées selon cette méthode avec du Y2O3, du MgO et du Cao comme additifs sont composées de nombreuses colonnes de grains β- Si3N4 et d'une partie résiduelle d'α- Si3N4 est composée de longs pores colonnaires. Le β- Si3N4 est formé par chevauchement et sa forme est irrégulière. Il présente l'avantage de contrôler la porosité des céramiques poreuses et de ne pas utiliser d'additifs. (4) Méthode par ajout d'agent porogène : cette méthode peut modifier arbitrairement le type, la quantité et le diamètre des particules de l'agent porogène, et permet de fabriquer des céramiques poreuses avec des tailles et des distributions de pores différentes. Comparé à d'autres méthodes, le coût de l'ajout d'un agent porogène est le plus faible. Dans ce processus, les céramiques poreuses sont préparées en ajoutant un agent porogène aux ingrédients céramiques, en utilisant un agent porogène pour occuper un certain espace dans le corps vert, puis en frittant, et l'agent porogène quitte la matrice pour former des pores. Fig. 2 Procédé consistant à ajouter un agent porogène à la préparation des matériaux (5) Méthode de consolidation de l'amidon : en ajoutant de l'amidon comme agent porogène et agent de consolidation, ce procédé permet d'effectuer un frittage par oxydation partielle sous air pour préparer des composites à matrice de nitrure de silicium poreux d'une porosité allant jusqu'à 73,17 %. Dans cette méthode, le nitrure de silicium, le nitrure de bore et le dioxyde de silicium sont utilisés comme matériaux de matrice céramique, qui sont préparés par consolidation de l'amidon et frittage par oxydation partielle à pression atmosphérique. La porosité et la structure des pores sont contrôlées en contrôlant la fraction volumique, la taille et la géométrie de l'amidon, afin de contrôler les propriétés finales du matériau. (6) Méthode de moulage par extrusion : cette méthode utilise de la méthylcellulose comme liant pour préparer une suspension à base de nitrure de silicium, et utilise une matrice d'extrusion à piston pour préparer des céramiques poreuses au nitrure de silicium par moulage par extrusion. Poudre de nitrure de silicium utilisée α La teneur en phase est supérieure à 95 % et la taille moyenne des particules est d'environ 1 μm。 La méthylcellulose est utilisée comme liant et l'oxyde d'yttrium comme additif de frittage. (7) Méthode de revêtement porogène : cette méthode permet de préparer des céramiques poreuses au nitrure de silicium avec une porosité allant jusqu'à 70 % et une porosité complète. La porosité de l'échantillon augmente avec l'augmentation de la porosité du revêtement. L'utilisation de la méthode de revêtement sépare les pores les uns des autres et évite la source de macrofracture causée par la superposition des pores. La résistance à la flexion du nitrure de silicium poreux préparé selon cette méthode est bien supérieure à celle du nitrure de silicium non revêtu, qui montre la microstructure des dislocations à haute densité. Les dislocations se produisent à haute énergie, donc la résistance à la corrosion est réduite. （8） À l'étranger, le développement et l'application de céramiques poreuses au nitrure de silicium sont en avance sur ceux de la Chine, en particulier au Japon. En prenant l'exemple de l'Association de recherche sur la céramique de Nagoya, au Japon, elle a réalisé une avancée majeure dans le domaine de la technologie de contrôle des pores et a fabriqué des matériaux céramiques poreux anisotropes à base de nitrure de silicium. Certains chercheurs ont obtenu des produits céramiques poreux au nitrure de silicium présentant une porosité de 0 à 50 % en étudiant les méthodes de préparation. Dans les années 1980, sur la base de la densité des céramiques au nitrure de silicium, Boeing a développé avec succès une méthode de préparation permettant de contrôler la densité des céramiques. La densité peut être préparée à partir de céramiques poreuses au nitrure de silicium de 0,5 à 1,8 g/cm ³ de la gamme, et un radôme à large bande a été développé avec succès. Les progrès de la recherche sur les céramiques poreuses dans le pays et à l'étranger sont analysés. La préparation de céramiques poreuses au nitrure de silicium à haute résistance et à pores contrôlables est la direction de développement du nitrure de silicium. La méthode traditionnelle domestique de préparation de céramiques poreuses au nitrure de silicium consiste principalement à ajouter un agent porogène. Bien que cette méthode soit simple, il y a quelques problèmes à résoudre, tels qu'une température de frittage élevée et une faible porosité. Les chercheurs ont étudié différentes méthodes de préparation et amélioré les procédés de préparation pour obtenir des matériaux céramiques poreux dotés de bonnes propriétés, ce qui reste l'un des points chauds de la recherche sur les céramiques au nitrure de silicium.