一种氮化硼泡沫材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于多孔陶瓷泡沫材料领域，特别提供一种氮化硼泡沫材料及其制备方法。氮化硼泡沫材料以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络，构成多边型封闭环单元的陶瓷筋由氮化硼组成，按体积百分数计，BN固相在15～85％范围内，孔隙率85～15％，陶瓷筋的相对致密度≥90％，材料中平均晶粒尺寸在1～10μm。采用有机泡沫浸渍工艺泡沫陶瓷预制体，同时结合热压致密化提高预制体陶瓷筋致密度，经烧结得BN泡沫材料。该氮化硼泡沫材料具有抗热冲击、高强、高韧、高导热率、高孔率、高比表面和高通孔率的特点，且孔结构(孔径和气孔率)可以调控。该制备方法工艺简单、操作方便、无需复杂设备，制造成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硼泡沫材料及其制备方法
本专利技术属于多孔陶瓷泡沫材料领域，特别提供一种氮化硼(BN)泡沫材料及其制备方法。
技术介绍
多孔陶瓷泡沫材料由基体材料骨架、可变孔径、较高孔隙率组成，该类材料具有三维网络骨架结构且气孔是相互连通的，是一种重要的多功能材料。目前该类泡沫材料主要有泡沫金属和泡沫陶瓷两大类，其中：泡沫陶瓷除了具有多孔陶瓷所具有的一般特性之外，它还具有高渗透率、高比表面和复杂的孔道结构等特性，这些特性使它在冶金、化工、机械、环保、能源等行业可作为高温过滤、净化、吸收、分离、混合、隔热及换热器件，应用十分广泛。泡沫陶瓷主要有以下四种方法制备：粉末烧结法、固相反应烧结法、含硅树脂热解法和气相沉积法。粉末烧结法又分为两种不同的过程，其一是将含有一定量烧结助剂的陶瓷粉与连接剂(如：硅酸乙脂水解液、硅溶胶等)调成合适浓度的料浆后，浸挂在聚氨脂泡沫上，固化干燥后，在一定温度范围下脱除连接剂和聚氨脂泡沫。而后，将温度升高到烧结温度下进行烧结便得到泡沫状的陶瓷材料；另一种方法是将含烧结助剂的陶瓷粉与株状发泡剂均匀混合后，用模压或浇注方法成型，通过熔化或气化脱出发泡剂，然后进行高温烧结以获得泡沫陶瓷。固相反应烧结法是将株状发泡剂与陶瓷粉末及烧结助剂均匀混合成型，通过熔化或气化脱出发泡剂，经过高温反应烧结后即获得泡沫陶瓷。含硅树脂热解法主要用来制备泡沫碳化硅材料，是将有机硅前驱体制成高分子凝胶，脱出凝胶中的有机溶剂后得到泡沫状的含硅树脂，经充分予氧化后进行热解即得到泡沫状碳化硅陶瓷。气相沉积法是利用化学气相沉积的方法，将陶瓷沉积到网状碳泡沫上而获得泡沫陶瓷，目前主要用来制备碳化硅泡沫。上述四种方法均有各自的不足，前三种方法由于没有热压过程，初始密度不高，制备的泡沫陶瓷不致密，因而强度低，并且固相反应烧结法和含硅树脂热解法孔隙体积和尺寸难以控制；而气相沉积法面临制作成本高，速度慢等问题。这些问题使泡沫状陶瓷的应用，特别是新的应用，受到不同程度的制约。传统泡沫陶瓷材质多为碳化硅、氧化铝、莫来石、高岭土等，由于这些陶瓷材料导热性能不高、高温稳定性差，抗热冲击能力低、尤其是陶瓷内在的固有脆性成为其作为结构元件的最大障碍，而且加工和安装都存在难以克服的技术性难题，目前采用ZrO2粒子或者纤维等第二相对陶瓷材料的增韧研究很多，也有采用制备陶瓷基复合材料来加强结构陶瓷的方法，但是这些方法应用在多孔陶瓷的制备上十分困难，且效果并不明显，氮化硼陶瓷具有高热导率、高抗热冲击能力、高耐腐蚀性、使用温度高(非氧化气氛)、密度低及和石墨材料相近的抗热冲击能力，具有很多的应用方向，将其制备成泡沫材料，可很好的拓展其功能，使其应用方向更为广泛。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮化硼泡沫材料及其制备方法，该氮化硼泡沫材料具有抗热冲击、高强、高韧、高导热率、高孔率、高比表面和高通孔率的特点，且孔结构(孔径和气孔率)可以调控；该制备方法工艺简单、操作方便、无需复杂设备，制造成本低。本专利技术的技术方案是：一种氮化硼泡沫材料，氮化硼泡沫材料以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成三维连通网络的陶瓷筋由氮化硼组成，按体积百分数计，BN固相在15～85％范围内，孔隙率85～15％，陶瓷筋的相对致密度≮95％，材料中平均晶粒尺寸在1～10μm。所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，以固体颗粒粉末和有机高分子粘结剂为原料，以聚胺脂泡沫塑料为模板；其中，固体颗粒粉末为氮化硼粉及烧结助剂，具体制备过程如下：(1)料浆配制将固体颗粒粉末、有机高分子粘结剂和溶剂按比例混合，按质量百分比计，固体颗粒粉末50wt％～60wt％，有机高分子粘结剂10wt％～5wt％，溶剂40wt％～35wt％，经机械搅拌后球磨，过滤，得料浆；(2)浸挂将聚胺脂泡沫塑料剪裁成所需形状和尺寸，均匀地浸入料浆中、拿出后挤去多余料浆、采用气吹或气吹结合离心的方式除去多余料浆，加热烘干，上述浸料、挤料、固化过程重复两次以上，达到所需要的固相体积百分数15～85％，得到泡沫材料骨架预制体；(3)热压致密化将上述得到的泡沫材料预制体表面浸渍浓度为60～90wt％的聚氨酯-丙酮溶液2～4次，每次120～180℃固化0.5～1小时，将在预制体陶瓷筋表面形成一层不透气聚氨酯膜层，而后将表面不透气泡沫预制体放入高压容器内，充入氮气或氩气，高温、高压固化，压力为15～30MPa、温度在100～300℃，升温速率为1～5℃/分钟，保温20分钟～50分钟，得到更加致密化的泡沫陶瓷预制体；(4)脱脂将致密化的泡沫陶瓷预制体在氩气、氮气或其它惰性气体的保护下或者在真空条件下热解，脱除泡沫骨架预制体中的有机物质；其中，升温速率为1～10℃/分钟，升温至600～900℃，保温0.5～2小时；(5)烧结将脱脂后致密的泡沫陶瓷经机加工成为所需形状和尺寸，然后进行烧结，烧结在氮气或惰性气体保护气氛或真空条件下进行，升温速率为1～20℃/分钟，温度为：1300～1800℃，保温0.5～3小时，得氮化硼泡沫材料。所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，有机高分子粘结剂选自聚乙烯醇或聚氨酯。所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，氮化硼的平均粒度为0.5～10μm，纯度为99.5wt％以上。所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，烧结助剂为氧化铝、氧化钇、氧化镁、氧化镧、氧化铈、氧化硼中的一种或者两种以上组成，平均粒度为0.5～2μm，纯度为99.8wt％以上。所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，采用氮化硼粉和烧结助剂混合固体颗粒粉末时，按质量百分比计，氮化硼粉80～95％，烧结助剂20～5％。所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，料浆溶液中，固相为总质量的50～70％。所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，溶剂为水、乙醇或丙酮。所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，料浆浸渍过程中的固化采用普通烘箱或收缩机，泡沫骨架预制体热压致密化采用的高压容器为高压反应釜或热等静压机，脱脂用炉为碳管炉或真空感应加热炉，烧结用炉为真空感应烧结炉、真空碳管炉或真空电阻炉。本专利技术是在有机泡沫体浸渍工艺制备泡沫陶瓷的工艺基础上发展了一种制备高强、高韧、高致密的SiC/Al泡沫材料的方法，具有如下优点及有益效果：1、氮化硼泡沫材料具有高孔率、高比表面、高通孔率、孔径和空隙率易控等特点。聚氨脂泡沫塑料是获得最终氮化硼泡沫材料的原始模板，因而通过选择不同的模板就可以控制三维网络结构中孔径大小。对于同一模板，可以通过选择浸挂过程中浸挂次数和料浆浓度，实现对泡沫预制体中陶瓷体积百分数和骨架预制体筋的粗细的控制，并消除封闭孔，见图1。2、高强度、高韧性、高致密度，力学性能优良本专利技术采用类似于等静压工艺制备泡沫有机复合骨架预制体的方法，能够显著提高其初始密度和组织均匀性，消除浸渍挂浆过程容易出现的分层现象。采用合理的烧结助剂不仅可以使氮化硼泡沫材料的网络筋具有较高的致密度和微米级均匀细密的显微组织，还可以避免氮化硼材料无压烧结中容易出现的体积膨胀开裂，并促进氮化硼粉末颗粒的结合，从而使网络筋中陶瓷相间具有很高的结合强度。以上因素使所得到的氮化硼泡沫材料同时具备高的强度和高的韧性，见图2。3、很好的成型性和加工性一则，作为泡沫材料的原始模板，聚氨脂泡沫塑料极易加工成任意形状；二则，预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化硼泡沫材料，其特征在于：氮化硼泡沫材料以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成三维连通网络的陶瓷筋由氮化硼组成，按体积百分数计，BN固相在15～85％范围内，孔隙率85～15％，陶瓷筋的相对致密度≮95％，材料中平均晶粒尺寸在1～10μm。

【技术特征摘要】
1.一种氮化硼泡沫材料，其特征在于：氮化硼泡沫材料以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成三维连通网络的陶瓷筋由氮化硼组成，按体积百分数计，BN固相在15～85％范围内，孔隙率85～15％，陶瓷筋的相对致密度≮95％，材料中平均晶粒尺寸在1～10μm。2.一种权利要求1所述的氮化硼泡沫材料的制备方法，其特征在于：以固体颗粒粉末和有机高分子粘结剂为原料，以聚胺脂泡沫塑料为模板；其中，固体颗粒粉末为氮化硼粉及烧结助剂，具体制备过程如下：(1)料浆配制将固体颗粒粉末、有机高分子粘结剂和溶剂按比例混合，按质量百分比计，固体颗粒粉末50wt％～60wt％，有机高分子粘结剂10wt％～5wt％，溶剂40wt％～35wt％，经机械搅拌后球磨，过滤，得料浆；(2)浸挂将聚胺脂泡沫塑料剪裁成所需形状和尺寸，均匀地浸入料浆中、拿出后挤去多余料浆、采用气吹或气吹结合离心的方式除去多余料浆，加热烘干，上述浸料、挤料、固化过程重复两次以上，达到所需要的固相体积百分数15～85％，得到泡沫材料骨架预制体；(3)热压致密化将上述得到的泡沫材料预制体表面浸渍浓度为60～90wt％的聚氨酯-丙酮溶液2～4次，每次120～180℃固化0.5～1小时，将在预制体陶瓷筋表面形成一层不透气聚氨酯膜层，而后将表面不透气泡沫预制体放入高压容器内，充入氮气或氩气，高温、高压固化，压力为15～30MPa、温度在100～300℃，升温速率为1～5℃/分钟，保温20分钟～50分钟，得到更加致密化的泡沫陶瓷预制体；(4)脱脂将致密化的泡沫陶瓷预制体在氩气、氮气或其它惰性气体的保...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲松，田冲，杨振明，曹小明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21