一种超轻质氮化硅泡沫陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超轻质氮化硅泡沫陶瓷的制备方法，包括如下步骤：（1）将氮化硅颗粒、烧结助剂和凝胶剂分散于去离子水中，混合得到固含量为45～60%的氮化硅浆料；（2）将发泡剂加入所得氮化硅浆料中，经发泡处理后注入模具中，再经固化、脱模和干燥后，得到氮化硅泡沫陶瓷坯体，所述发泡剂为阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂预先复合得到的复合发泡剂；（3）将所得氮化硅泡沫陶瓷坯体在氮气气氛下，进行无压烧结，得到氮化硅泡沫陶瓷。

Preparation method of ultra light silicon nitride foam ceramics

【技术实现步骤摘要】
一种超轻质氮化硅泡沫陶瓷的制备方法
本专利技术涉及一种超轻质氮化硅泡沫陶瓷的制备方法，属于低收缩泡沫陶瓷、超稳定泡沫陶瓷制备

技术介绍
泡沫陶瓷是一类具有三维网络状和开孔或闭孔结构的多孔陶瓷，具有低密度、高气孔率(60％-90％)、高比表面积等特点外，同时具有耐高温、耐腐蚀等优异性能，可应用于热气体过滤器，催化剂载体，保温材料，声吸收剂和生物材料等领域。因此，制备高气孔率、孔径均匀、高强度、性能稳定的泡沫陶瓷对于其在各个领域的应用至关重要。泡沫陶瓷的制备方法主要有添加造孔剂法、模板复制法和直接发泡法。相比其他方法，直接发泡法在制备高气孔率和结构稳定的泡沫陶瓷具有显著优势。直接发泡法制备泡沫陶瓷的关键在于泡沫的稳定，通常采用的方法是颗粒稳定发泡法，该方法采用表面活性剂对陶瓷颗粒表面进行修饰，提高疏水性，随后高速搅拌发泡，使其稳定吸附在泡沫的气-液界面，形成超稳泡沫。这种方法因工艺简单、生产成本低廉、环境友好被认为是一种有发展潜力的轻质高强泡沫陶瓷的制备方法。
技术实现思路
为此，本专利技术的目的在于提供了一种泡沫稳定性好、浆料浇注性能高、泡沫孔径均匀、孔径可控、力学性能优异的超轻质氮化硅泡沫陶瓷及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种超轻质氮化硅泡沫陶瓷的制备方法，包括如下步骤：(1)将氮化硅颗粒、烧结助剂和凝胶剂分散于去离子水中，混合得到固含量为45～60％的氮化硅浆料；(2)将发泡剂加入所得氮化硅浆料中，经发泡处理后注入模具中、再经固化、脱模和干燥后，得到氮化硅泡沫陶瓷坯体，所述发泡剂为阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂预先复合得到的复合发泡剂；(3)将所得氮化硅泡沫陶瓷坯体在氮气气氛下，进行无压烧结，得到氮化硅泡沫陶瓷。在本公开中，首次采用复合离子表面活性剂(阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂的混合物)为发泡剂，并结合凝胶注膜工艺，室温下实现泡沫浆料的干燥，制备得到超轻质氮化硅泡沫陶瓷(超轻质多孔氮化硅)。具体来说，阴离子表面活性剂具有较优异的发泡性，而阳离子表面活性剂具有较优异的泡沫稳定性，采用复合离子表面活性剂(阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂会在电荷的静电吸引作用下结合成为表面活性剂的复合体)可结合阴离子和阳离子表面活性剂的优势，因而可提高发泡性，降低表面张力，降低气孔的平均孔径。而且，在泡沫陶瓷的制备中的，表面活性剂同时还在氮化硅陶瓷的粉体表面起到调节氮化硅颗粒表面的疏水状态的作用，使泡沫气孔分布均匀，进而使得高气孔率氮化硅泡沫陶瓷的力学性能提高。较佳地，所述烧结助剂为氧化钇、氧化镱和氧化铝中的至少一种；所述烧结助剂占氮化硅浆料总质量的1～5wt％。较佳地，所述凝胶剂为异丁烯-马来酸酐共聚物；所述凝胶剂占氮化硅浆料总质量的0.3～0.9wt％。例如，本专利技术结合凝胶注膜工艺和直接发泡法，采用新型水基凝胶剂异丁烯-马来酸酐共聚物同时作为分散剂和凝胶剂，增加浆料的流动性和稳定性，使得泡沫干燥过程中收缩小，成品率高。较佳地，所述阴离子表面活性剂为月桂酰肌氨酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和十六烷基硫酸钠中的至少一种；所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基羟乙基二甲基溴化铵和十六烷基二羟乙基甲基溴化铵中的至少一种；所述发泡剂加入量为氮化硅浆料总质量的0.1～0.4％。较佳地，所述发泡剂中阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂的质量比为1：(0.7～1.3)，优选为1:1。在阴、阳离子表面活性剂在的加入量相接近时，浆料的性质最优，任一表面活性剂含量过多时，制备的泡沫陶瓷的孔径分布都不均匀，另外，阳离子表面活性剂加入过多时，浆料的起泡性降低，泡沫陶瓷的气孔率降低，阴离子表面活性剂加入过多时，起泡性好，但是泡沫的稳定性差，泡沫陶瓷的强度低。较佳地，所述氮化硅颗粒的中位粒径为0.42μm；所述氮化硅颗粒中α-Si3N4的含量大于92wt％。较佳地，所述发泡处理为球磨处理，所述球磨处理的转速为300～450转/分钟，时间为1.5～3小时。较佳地，所述固化的温度为25～45℃，时间为3～10小时；所述干燥的温度为25～40℃，时间为24～48小时。较佳地，所述无压烧结的温度为1680～1760℃，时间为1.5～2.5小时。又，较佳地，所述无压烧结的升温制度包括：先以5～10℃的升温速率加热到1000～1100℃，再以3～5℃的升温速率加热至所述无压烧结的温度。该升温制度更有助于氮化硅晶须的生长，以实现高强度的制备。另一方面，本专利技术还提供了一种根据上述的制备方法制备的超轻质氮化硅泡沫陶瓷，所述超轻质氮化硅泡沫陶瓷的平均孔径在120～290μm，气孔率在90％以上。有益效果：(1)本专利技术采用阴离子表面活性剂(例如，月桂酰肌氨酸钠等)和阳离子表面活性剂(例如，十六烷基三甲基溴化铵等)复合体作为发泡剂，提高发泡性，降低表面张力，泡沫气孔分布均匀，进而使得高气孔率的超轻质氮化硅泡沫陶瓷的力学性能提高；(2)通过调节复合发泡剂的含量能够有效的调节氮化硅泡沫陶瓷的孔径大小，该专利技术制备的超轻质氮化硅泡沫陶瓷的平均孔径在120-290μm左右；(3)能够制备高气孔率的氮化硅泡沫陶瓷，其气孔率在90％以上，有望在吸声、隔热领域得到应用。附图说明图1为本专利技术的超轻质氮化硅泡沫陶瓷的工艺流程图；图2为实施例4制备的超轻质氮化硅泡沫陶瓷的微观形貌图；图3为实施例1-4制备的超轻质氮化硅泡沫陶瓷的孔径分布图，其中横坐标为孔径大小，纵坐标为孔径分布概率。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在本公开中，首次采用复合离子表面活性剂(阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂的混合物)作为发泡剂，并结合凝胶注膜工艺，制备得到超轻质氮化硅泡沫陶瓷。以下示例性地说明超轻质氮化硅泡沫陶瓷的制备方法，如图1中所示。将氮化硅粉体(氮化硅颗粒)、去离子水、烧结助剂和凝胶剂，配制成固含量为45～60wt％的氮化硅水基浆料(氮化硅浆料)。其中，氮化硅颗粒的中位粒径为0.42μm，α相的含量大于92％。其中配制方法可为球磨混合、搅拌等。在可选的实施方式中，烧结助剂可为氧化钇、氧化镱和氧化铝中的至少一种。烧结助剂的粒径可为400nm～2μm。氮化硅浆料中烧结助剂的含量可为1～5wt％。在可选的实施方式中，凝胶剂为新型水基凝胶体系“异丁烯-马来酸酐共聚物(Isobam)”。氮化硅浆料中凝胶剂的含量可为0.3～0.9％。将发泡剂加入到氮化硅浆料中，进行发泡处理，得到超稳定的氮化硅泡沫浆料。该超稳定的氮化硅泡沫浆料的配方按质量百分比计为：45～60wt％氮化硅颗粒，0.1～0.4wt％的复合离子表面活性剂，1～5wt％的烧结助剂，0.3～0.9wt％的凝胶剂，余量为去离子水。其中，发泡处理可为球磨处理。其中，复合离子表面活性剂(发泡剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超轻质氮化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n（1）将氮化硅颗粒、烧结助剂和凝胶剂分散于去离子水中，混合得到固含量为45～60%的氮化硅浆料；/n（2）将发泡剂加入所得氮化硅浆料中，经发泡处理后注入模具中，再经固化、脱模和干燥后，得到氮化硅泡沫陶瓷坯体，所述发泡剂为阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂预先复合得到的复合发泡剂；/n（3）将所得氮化硅泡沫陶瓷坯体在氮气气氛下，进行无压烧结，得到氮化硅泡沫陶瓷。/n

【技术特征摘要】
1.一种超轻质氮化硅泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将氮化硅颗粒、烧结助剂和凝胶剂分散于去离子水中，混合得到固含量为45～60%的氮化硅浆料；
（2）将发泡剂加入所得氮化硅浆料中，经发泡处理后注入模具中，再经固化、脱模和干燥后，得到氮化硅泡沫陶瓷坯体，所述发泡剂为阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂预先复合得到的复合发泡剂；
（3）将所得氮化硅泡沫陶瓷坯体在氮气气氛下，进行无压烧结，得到氮化硅泡沫陶瓷。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂为氧化钇、氧化镱和氧化铝中的至少一种；所述烧结助剂占氮化硅浆料总质量的1～5wt%。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述凝胶剂为异丁烯-马来酸酐共聚物；所述凝胶剂占氮化硅浆料总质量的0.3～0.9wt%。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述阴离子表面活性剂为月桂酰肌氨酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和十六烷基硫酸钠中的至少一种；所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基羟乙基二甲基溴化铵和十六烷基二羟乙基甲基溴化铵中的至少一种；所述发泡剂加入量为氮化硅浆料总质量的0.1～0.4%。

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宇平，杜中培，左开慧，夏咏锋，姚冬旭，尹金伟，梁汉琴，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31