一种高韧性耐高温的定向排列氮化硅独石多孔陶瓷制备的方法技术

一种高韧性耐高温的氮化硅独石多孔陶瓷制备的方法，α

A preparation method of directionally arrayed silicon nitride monolith porous ceramics with high toughness and high temperature resistance

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性耐高温的定向排列氮化硅独石多孔陶瓷制备的方法


[0001]本专利技术属于氮化硅陶瓷烧结
，具体涉及一种高韧性耐高温的定向排列氮化硅独石多孔陶瓷制备的方法，适用于各种高温过滤分离器、催化剂载体、吸声材料及透波材料等。

技术介绍

[0002]随着导弹速度的提高，导弹天线罩的工作环境日趋恶劣，当导弹以高超音速在大气中飞行时，气动加热非常严重。为了保护飞行器通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作，超音速导弹天线罩应兼具耐高温、耐烧蚀、优异的力学性能和电气性能等。氮化硅材料具有力学性能优异、抗热震性好、耐高温、耐腐蚀等诸多优点，是极具有前景的新一代天线罩材料，其多孔的设计保证了必要的透波特性和承载。
[0003]但是陶瓷材料的脆性差导致的可靠性差是影响陶瓷透波材料应用的主要障碍，特别是对于多孔氮化硅陶瓷的低韧性成为了多孔氮化硅透波材料必须改进的重要指标。
[0004]断裂韧性是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数，这决定了其使用可靠性和抗破坏能力，低的断裂韧性制约了其进一步的发展和大规模的工程应用。专利号为202110154424.3的专利公开一种以高长径比晶须制备无晶间玻璃相β
‑
β
‑
Si3N4多孔陶瓷的方法，该专利通过模压成型工艺，以制得的β
‑
Si3N4模压成型后引入碳源，通过碳热还原方法于β
‑
Si3N4晶须搭接处生成α
‑
Si3N4，制备Si3N4搭接β
‑<br/>Si3N4晶须多孔陶瓷材料，但是其气孔率在51.2％，断裂韧性只能达到3.1，因此其性能还不够理想。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的是提出一种高韧性耐高温的定向排列氮化硅独石多孔陶瓷制备的方法，该方法以α
‑
Si3N4为原料，Y2O3为助剂，通过常压烧结的方法制备高长径比的β
‑
Si3N4晶须，以制备的β
‑
Si3N4晶须配置流延浆料，利用流延成型将氮化硅晶须进行定向排列制作薄膜并进行叠层制样，通过SiO高温蒸发气相渗入，与纤维之间的残留碳进行反应获得氮化硅，制备得到氮化硅独石多孔陶瓷材料，一方面高长径比的β
‑
Si3N4晶须通过流延成型而具有定向排列性，提高Si3N4陶瓷的抗弯强度和断裂韧性，另一方面通过高温C
‑
SiO
‑
N2碳热还原，利用纯氮化硅的粘结，极大限度地改善了耐高温性能。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种高韧性耐高温的氮化硅独石多孔陶瓷制备的方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：按照质量百分比称取90
‑
95wt％α
‑
Si3N4以及5
‑
10wt％稀土氧化物混合粉末，混合均匀后松装放入石墨坩埚中；
[0009]步骤2：将装有混合粉末的坩埚放入多功能烧结炉中，充入氮气做保护气氛，控制升温速率＜10℃/min，在1600
‑
1750℃保温2
‑
3h后随炉冷却；
[0010]步骤3：将步骤2中所得反应物放入装有氢氟酸的聚四氟乙烯容器中，60
‑
80℃加热
并磁力搅拌处理，直至块体变为粉末，蒸馏水多次漂洗，至Ph＝7后烘干，得到β
‑
Si3N4晶须；
[0011]步骤4：将20
‑
40wt％的β
‑
Si3N4晶须、45.8wt％
‑
66.90％的有机溶剂、22.9wt％
‑
33.45％的丁酮、1wt％的分散剂加入烧杯中，加入磁力转子搅拌6h
‑
8h后，向混合浆料中加入5wt％
‑
6wt％的粘结剂聚乙烯醇缩丁醛酯、3wt％
‑
3.6wt％的聚乙二醇和3wt％
‑
3.6wt％的邻苯二甲酸二丁酯，磁力搅拌6h
‑
8h后得到均匀的流延浆料；
[0012]步骤5：步骤4所得流延浆料通过真空脱泡机脱泡30
‑
60min后，取出准备流延；
[0013]步骤6：流延浆料倒入容器中，将流延基片插入浆料，垂直提拉出浆料使之均匀流延在基片上形成生料带；
[0014]步骤7：生料带用镊子剥离下来后进行裁剪，累叠至3
‑
4mm厚；
[0015]步骤8：累叠的样品真空塑封后置于冷等静压机中180
‑
250MPa下压制；
[0016]步骤9：压制成型的生坯置于烘箱中40
‑
60℃烘干；
[0017]步骤10：生坯放入管式炉中进行碳化，通入流动的保护气体，使生坯中的有机添加物裂解为碳，得到多孔氮化硅陶瓷生坯；
[0018]步骤11：生坯真空浸渍10wt％
‑
20wt％的酚醛树脂酒精溶液并在烘箱内150℃
‑
180℃保温6h
‑
8h后固化；
[0019]步骤12：通入流动的保护气体，800
‑
900℃的高温下保温2
‑
4h使树脂裂解为碳；
[0020]步骤13：坩埚内放置石墨架，石墨架上放置碳化后的多孔氮化硅陶瓷生坯，石墨架下放置SiO粉体，以N2做保护气，使生坯内的残碳在高温下和SiO、N2反应生成α
‑
Si3N4。
[0021]所述步骤1中，选用α
‑
Si3N4的型号为UBE
‑
E10，平均粒径为0.2
‑
0.5μm；稀土氧化物包括氧化钇、氧化镥、氧化镧、氧化镱，优选氧化钇。
[0022]所述步骤3中，氢氟酸的浓度在1
‑
2mol/L之间变动。
[0023]所述步骤4中有机溶剂为二元共沸混合物，包括乙醇/丁酮、乙醇/三氯乙烯、三氯乙烯/甲乙酮，只需粉体可在溶剂中均匀分散即可，优选22.9wt％
‑
33.45％的无水乙醇和22.9wt％
‑
33.45％的丁酮。
[0024]所述步骤4中分散剂包括磷酸酯、乙氧基化合物、三油酸甘油酯，优选磷酸三乙酯做分散剂。
[0025]所述步骤7中生料片累叠方式采用相互平行叠加、相互垂直叠加，或者成一定角度的叠加方式，优选平行叠加或垂直叠加的方式。
[0026]所述步骤10中流动气体采用不与其余体系反应的惰性气体，包括Ar，室温升温至550
‑
650℃，升温速率为0.5
‑
0.8℃/min，保温1
‑
2h，确保生坯中无有机添加剂的残留；
[0027]所述步骤12中流动的保护气体采用不与其余体系反应的惰性气体，包括Ar。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高韧性耐高温的氮化硅独石多孔陶瓷制备的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：按照质量百分比称取90
‑
95wt％α
‑
Si3N4以及5
‑
10wt％稀土氧化物混合粉末，混合均匀后松装放入石墨坩埚中；步骤2：将装有混合粉末的坩埚放入多功能烧结炉中，充入氮气做保护气氛，控制升温速率＜10℃/min，在1600
‑
1750℃保温2
‑
3h后随炉冷却；步骤3：将步骤2中所得反应物放入装有氢氟酸的聚四氟乙烯容器中，60
‑
80℃加热并磁力搅拌处理，直至块体变为粉末，蒸馏水多次漂洗，至Ph＝7后烘干，得到β
‑
Si3N4晶须；步骤4：将20
‑
40wt％的β
‑
Si3N4晶须、45.8wt％
‑
66.90％的有机溶剂、22.9wt％
‑
33.45％的丁酮、1wt％的分散剂加入烧杯中，加入磁力转子搅拌6h
‑
8h后向混合浆料中加入5wt％
‑
6wt％的粘结剂聚乙烯醇缩丁醛酯、3wt％
‑
3.6wt％的聚乙二醇和3wt％
‑
3.6wt％的邻苯二甲酸二丁酯，磁力搅拌6h
‑
8h后得到均匀的流延浆料；步骤5：步骤4所得流延浆料通过真空脱泡机脱泡30
‑
60min后，取出准备流延；步骤6：流延浆料倒入容器中，将流延基片插入浆料，垂直提拉出浆料使之均匀流延在基片上形成生料带；步骤7：生料带用镊子剥离下来后进行裁剪，累叠至3
‑
4mm厚；步骤8：累叠的样品真空塑封后置于冷等静压机中180
‑
250MPa 下压制；步骤9：压制成型的生坯置于烘箱中40
‑
60℃烘干；步骤10：生坯放入管式炉中进行碳化，通入流动的保护气，使生坯中的有机添加物裂解为碳，得到多孔氮化硅陶瓷生坯；步骤11：生坯真空浸渍10wt％
‑
20wt％的酚醛树脂酒精溶液并在烘箱内150℃
‑
180℃保温6h
‑
8h后固化；步骤12：通入流动的保护气体，800
‑
900℃的高温下保温2
‑
4h使树脂裂解为碳；步骤13：坩埚内放置石墨架，石墨架上放置碳化后的多孔氮化硅陶瓷生坯，石墨架下放置SiO粉体，以N2做保护气，使生坯内的残碳在高温下和SiO、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建锋，史卓涛，智强，孙震宇，王波，史忠旗，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：