一种氮化硅多孔陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化硅多孔陶瓷及其制备方法，按重量百分比，将下述组分：碳、二氧化硅粉末７５～９５％，氮化硅１～１０％，烧结助剂２～２０％混合；其中碳与二氧化硅的重量比为０．４～０．６；烧结助剂包括金属氧化物Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］、Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］、ＭｇＯ的至少一种；将上述初始粉末用分散剂球磨干燥后过筛，得到混合粉末；将混合粉末填入模具中，采用压力成型工艺得到成形体；把上述成形体放入气氛炉中，在氮气下以６００度／小时的升温速度加热到１５００度，进一步以１８０度／小时的升温速度加热到１７００－１８００度，在氮气压力为６－１０个大气压下保温２～８小时，即获得烧结体。本发明专利技术的氮化硅多孔陶瓷可广泛应用于高温气氛及腐蚀性气氛下的气体分离用过滤器的基体材料，发电用燃气轮机、发动机、航天飞机等使用的耐热材料及强化材料等。

Silicon nitride porous ceramic and preparation method thereof

The invention discloses a silicon nitride porous ceramics and its preparing method, according to the weight percentage, the following components: carbon, silica powder of 75 ~ 95%, 1 ~ 10% of silicon nitride, sintering agent 2 ~ 20% carbon and silica mixed; the weight ratio of 0.4 to 0.6; sintering additives including metal oxide Y 2: O: 3, Al: 2 O: 3, MgO at least one; the initial powder dispersing agent for milling after drying, sieving, mixing powder; the mixed powder into the mold, the molding pressure forming process was put into the body into the body; the atmosphere in the furnace, heating heating rate under nitrogen to 600 degrees / hour to 1500 degrees, 180 degrees further to the heating rate of heating / hour to 1700 1800 degrees, the nitrogen pressure for 6-10 atmospheric pressure insulation for 2~8 hours, that is to obtain sintered body. Porous silicon nitride ceramics of the invention can be used in filter material for gas separation is widely used in high temperature atmosphere and corrosive atmosphere and heat resistant materials, gas turbine engines, aircraft use and strengthening materials for power generation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多孔陶瓷及其制备方法，特别涉及。
技术介绍
氮化硅多孔陶瓷由于其显微结构中棒状颗粒的存在，因此具有良好的耐热性、耐腐蚀性、高强度、高韧性等特点，在高温气氛下或者腐蚀性气氛下的气体分离过滤器或者其基材、以及金属基复合材料的增强相中已得到广泛应用。现有的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法主要有以下几种1)气氛烧结法，使用氮化硅颗粒或非晶态初始原料，将成形体在氮气中加热，形成均匀的纤维状氮化硅基组织的多孔陶瓷，如日本专利特开平10-67562提出的制作方法。将含有氮化硅颗粒与氧化物烧结助剂的混合粉末形成的成形体在氮气中加热，由控制烧结温度和烧结助剂的添加量获得氮化硅多孔陶瓷材料，如日本专利特开2000-225985中涉及的方法。但是这些方法都是采用氮化硅粉末或非晶态的粉末，由于氮化硅粉末的价格比较高，因此得到的氮化硅多孔陶瓷成本较高。2)直接氮化法，用金属硅粉末先制作成形体，再放在氮气中直接反应进行氮化的方法制造氮化硅陶瓷，但该方法要得到致密烧结体比较困难，由于金属硅的氮化反应式为，在这个反应中，相对于金属硅会有重量和体积的增加，因此烧结体形成高气孔率也很困难。另外一种利用金属硅的方法，如日本专利特开平1-188479中提出了原始粉料采用金属硅和氮化硅组成的混合粉末来制备氮化硅多孔陶瓷的方法，但是由于其金属硅的氮化率为50％以下，没有氮化的金属硅残留在烧结体中，从而会损害氮化硅的耐蚀性、耐热性。3)碳热还原法，在高温下由二氧化硅在氮气中引发的反应生成氮化硅。虽然利用该反应可以制作氮化硅粉末，但也存在一定问题，即必须精确控制反应温度，温度在1470度以上，有生成碳化硅的危险；温度在1400度以下时，又会生成大量的含有氧的结晶化不好的产物。利用上述反应也尝试制作了多孔陶瓷，如日本专利特开2001-206775提出了将含有二氧化硅颗粒，碳颗粒以及平均粒径5um以下的金属硅颗粒的成形体在氮气中进行热处理的方法，但是在该方法中，二氧化硅和碳的总量在成形体中只有1-20重量％，因此烧结体中的气孔率也只有20-40％。在利用上述反应制作多孔陶瓷的尝试中，还有将含有二氧化硅，碳以及烧结助剂的成形体通过在氮气中的热处理，获得了氮化硅多孔陶瓷，但是，得到的材料，其强度并不是很好。
技术实现思路
本专利技术的目的是改进现有氮化硅多孔陶瓷制备方法所存在的缺陷，提供一种具有均匀棒状纤维组织，气孔率大于60％的氮化硅多孔陶瓷及其制备方法，具有制作成本低，烧结体机械性能好的优点。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的一种氮化硅多孔陶瓷，按重量百分比，包括下述组分碳、二氧化硅粉末75～95％，氮化硅1～10％，烧结助剂2～20％，其中的碳与二氧化硅的重量比为0.4～0.6；所述的烧结助剂为金属氧化物M2O3或MO，如Y2O3、Al2O3、MgO的至少一种；碳的平均粒径小于0.1um，二氧化硅的平均粒径为0.5-20um，氮化硅的平均粒径小于1um(um表示微米)。一种氮化硅多孔陶瓷的制备方法，包括下述步骤先按重量百分比，将75～95％碳、二氧化硅粉末、1～10％氮化硅、2～20％烧结助剂混合，其中的碳与二氧化硅的重量比为0.4～0.6，所述的烧结助剂采用金属氧化物M2O3或MO，如Y2O3、Al2O3、MgO的至少一种；所述碳的平均粒径小于0.1um，二氧化硅的平均粒径为0.5-20um，氮化硅的平均粒径小于1um。上述初始粉末用分散剂球磨24小时以上，经干燥后，用250目分样筛进行过筛，得到混合粉末；将混合粉末填入模具中，采用压力成型工艺得到成形体；把上述成形体放入气氛炉中，在氮气下以600度/小时的升温速度加热到1500度，进一步以180度/小时的升温速度加热到1700-1800度，在氮气压力为6-10个大气压下保温2～8小时，获得烧结体。本专利技术制备的氮化硅多孔陶瓷是利用高温下二氧化硅由碳热还原反应转变成氮化硅，它的优点是(1)原料价格便宜；(2)除了CO以外，没有放出的产物，得到的多孔体中的残留物较少，多孔体的成分容易控制；(3)由反应产生44％的重量损失，可以提高气孔率。本专利技术的有益效果是，按照本专利技术的方法，由碳和二氧化硅在氮气气氛中的碳热还原反应，并通过调整配方组成的C/SiO2比，晶种及烧结助剂加入量，在较低的烧结温度下可以得到优良机械性能的氮化硅多孔陶瓷。在混合粉末中添加氮化硅晶种可以获得由细小的柱状颗粒组成的组织，同时在反应过程中作为氮化硅的核心，促进了反应和相转变，得到发达的柱状氮化硅颗粒，在同样的气孔率下表现出3倍的抗弯强度。因此，本专利技术的氮化硅多孔陶瓷，与现有多孔陶瓷相比，具有优越的经济性和可靠性，可以广泛应用于高温气氛及腐蚀性气氛下的气体分离用过滤器的基体材料，发电用燃气轮机，发动机，航天飞机等使用的耐热材料的强化材料，金属基复合材料的强化材料，以及各种绝热，吸音，基板等。附图说明图1为添加5重量％的氮化硅颗粒样品的外侧SEM照片。图2为添加5重量％的氮化硅颗粒样品的内部SEM照片。图3为未添加氮化硅颗粒的样品的外侧SEM照片。具体实施例方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。氮化硅多孔陶瓷，其组成如表1所示，在表1所示的实施例1～9中，组成二氧化硅的结晶形态为SiO2，也可以采用SiO2的前驱体，也可是SiO2以及前驱体的混合物。二氧化硅的平均颗粒直径一般控制在0.1-20um，若小于0.1um时，粉末容易凝聚，操作比较困难；大于20um形成的多孔陶瓷中的气孔一部分变得过大。因此二氧化硅的平均颗粒直径最好控制在0.5-20um之间。碳和二氧化硅的重量比最好在0.4～0.6之间。若小于0.4时，二氧化硅在烧结体内残留，得到的多孔陶瓷的耐蚀性和耐热性会受到影响；若大于0.6时，碳在烧结体内残留，影响多孔陶瓷内氮化硅颗粒的生长，降低机械性能；碳和二氧化硅纯度没有特别的限制，碳可以为任意形态的碳，例如木炭，碳黑，也包含碳的前驱体物质，比如各种树脂，也可以利用碳黑和碳的前驱体的混合物，表1实施例采用碳或碳黑。表1 本专利技术氮化硅多孔陶瓷的组成及烧结工艺条件 表1组成中的烧结助剂的添加量为2～20wt％。不到2wt％的成形坯件不能很好烧结，但超过20wt％的话，多孔陶瓷的收缩率加大，造成气孔率的减小以及大量的晶间玻璃相。这里所述的烧结助剂，是指在高温烧结时可变化成玻璃的金属氧化物，即三价氧化物(表示为M2O3，如La2O3、Y2O3、Al2O3)或二价氧化物(表示为MO，如MgO、CaO)。也包括一种或数种成分的M2O3或MO通过反应能够变为玻璃相的混合物。表1实施例采用Y2O3、Al2O3、MgO的至少一种，根据情况也可以添加几种金属氧化物的混合物。作为晶种的组成氮化硅，其加入量可在1-50wt％，若加入比例过低的话，二氧化硅的转化和氮化硅的相转变减缓，柱状颗粒变得不是很发达；若加入比例过高得话，由反应造成的失重减小，气孔率降低，原料的成本增加。因此表1实施例控制在1～10wt％。这里所述的晶种氮化硅，是指结晶形态不同的Si3N4颗粒。比如α型，β型，或者非晶态的氮化硅都可以使用，也包含氮化硅和前驱体的混合物，氮化硅粉末的平均颗粒直径为0.5微米。作为比较，表1还列出了未本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化硅多孔陶瓷，其特征是，按重量百分比，包括下述组分：碳、二氧化硅粉末７５～９５％，氮化硅１～１０％，烧结助剂２～２０％；其中碳与二氧化硅的重量比为０．４～０．６；所述的烧结助剂为金属氧化物Ｍ↓［２］Ｏ↓［３］或ＭＯ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建锋，高积强，金志浩，乔冠军，王红洁，陕绍云，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]