一种氮化硅闭气孔隔热陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮化硅闭气孔隔热陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将30～90vol.％的Si3N4中空微球和10～70vol.％的Si粉混合得到混粉，再与无水乙醇混合后均匀填充到模具中加压形成Si3N4陶瓷素坯；将Si3N4陶瓷素坯直接放入氮化炉中，以N2作为反应气，保持气流量为60～100ml/min，从室温升温至1100～1200℃后缓慢升温至1350～1450℃保温4～6h，冷却得到预强化的Si3N4陶瓷预制体；对预强化的Si3N4陶瓷预制体进行先驱体浸渍裂解致密化处理，得到Si3N4闭气孔隔热陶瓷。本发明专利技术解决了目前Si3N4陶瓷介电常数偏高，热导率和密度相对较大的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硅闭气孔隔热陶瓷的制备方法


[0001]本专利技术属于多孔陶瓷的制备
，具体涉及一种氮化硅闭气孔隔热陶瓷的制备方法。

技术介绍

[0002]天线罩作为高超音速飞行器前端的一个重要部件，集隔热、透波和承载等多功能于一体。近年来，随着飞行器不断向高速度、长航时方向发展，天线罩的工作条件愈来愈苛刻，服役温度逐步提升、载荷情况逐渐复杂、环境腐蚀愈发严重。这便要求天线罩材料不仅应具备低介电常数和介电损耗、高强度、高韧性、好的耐腐蚀能力，还须兼具优异的轻质、隔热、耐热、抗热冲击性能。这些特性不仅能使天线罩很好地承受空气动力和异物冲击，而且可以保护天线罩内部天线免受高温和环境侵蚀，保证电磁波信号的高效传输。
[0003]氮化硅(Si3N4)陶瓷具有优异的力学性能和良好的热稳定性，是公认的热结构部件候选材料。致密的Si3N4陶瓷具有较高的介电常数、介电损耗和热导率，在陶瓷中引入气孔获得多孔Si3N4陶瓷，可以显著提高其透波性能和隔热性能，兼具轻质特征，满足高超音速飞行器天线罩材料的结构功能一体化要求。
[0004]传统多孔陶瓷中的孔隙多以开气孔为主，而新型高温轻质隔热透波材料的孔隙结构应向微细化、球形化、闭孔化方向发展，而陶瓷中空微球是实现这一结构特征的关键材料，目前关于Si3N4闭气孔陶瓷的研究鲜有报道。张笑妍等(Si3N
4 hollow microsphere toughened porous ceramics from direct coagulation method via dispersant reaction.Advanced Engineering Materials,2019,21(3):858
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866)以Si3N4聚空心微球为造孔剂，利用分散剂反应法结合热压烧结制备出气孔率为48.2％～60.6％的Si3N4多孔陶瓷。但陶瓷内部孔隙多以开气孔为主，且孔径约为89.22μm，这与上文所述“微细化、闭孔化”的孔隙结构特征差异很大。

技术实现思路

[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种氮化硅闭气孔隔热陶瓷的制备方法，实现了微细化、球形化、闭孔化的孔隙结构，解决了目前Si3N4陶瓷介电常数偏高，热导率和密度相对较大的问题，为新一代隔热、透波、力学性能协同的结构陶瓷的发展提供技术支持。
[0006]一种氮化硅闭气孔隔热陶瓷(Si3N4)的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1.Si3N4陶瓷素坯成型：将30～90vol.％的Si3N4中空微球和10～70vol.％的Si粉混合得到混粉，再将混粉和无水乙醇混合，混粉和无水乙醇的混合比例不重要，不过混粉与无水乙醇的质量比通常为1：1～1:5，优选为1:3，磁力搅拌4～6h后，经旋转蒸发1～2h得到混合均匀的粉体；将粉体均匀填充到金属模具中，施以轴向50～200MPa的压力，保压1～2min，使其成为具有一定或者说所需形状的Si3N4陶瓷素坯。
[0008]步骤2.Si3N4陶瓷素坯的预强化：将步骤1得到的Si3N4陶瓷素坯直接放入氮化炉
中，持续通入N2作为反应气，保持气流量为60～100ml/min，先以10℃/min从室温升温至1100～1200℃，再以5℃/min缓慢升温至1350～1450℃保温4～6h，之后以5℃/min降温至600℃，最后自然冷却至室温。上述过程可使素坯中的Si粉与N2反应生成Si3N4，由此得到具有一定强度的陶瓷预制体。
[0009]步骤3.Si3N4陶瓷预制体的先驱体浸渍裂解(Precursor infiltration pyrolysis，PIP)致密化：将步骤2得到的预强化后的Si3N4陶瓷预制体进行PIP致密化。本领域技术人员已知，PIP致密化的具体过程一般为：配制前驱体(聚硅氮烷(PSN))溶液，其中PSN与二甲苯的质量比为1:10～1:1，将陶瓷预制体悬挂在前驱体溶液上方，放入浸渍罐中抽真空，时间一般为0.5h，将预制体内部开气孔中的空气抽出，再将预制体完全浸没在前驱体溶液中，抽真空(时间一般为0.5h)后，将预制体取出，完成浸渍过程；将真空浸渍后的预制体放入管式炉中，在NH3气氛下900℃裂解，重复此浸渍裂解过程最终得到Si3N4闭气孔隔热陶瓷。
[0010]本专利技术提出的方法采用干压成型结合Si粉氮化预强化和PIP工艺制备Si3N4闭气孔陶瓷，本专利技术实现了微细化、球形化、闭孔化的孔隙结构，解决了目前Si3N4陶瓷介电常数偏高，热导率和密度相对较大的问题。
附图说明
[0011]图1是图解说明本专利技术的方法的流程图。
[0012]图2是在本专利技术的实施例中采用的Si3N4中空微球的扫描电子显微镜(SEM)照片。
[0013]图3是按照本专利技术的实施例4制备的Si3N4陶瓷预制体的扫描电子显微镜(SEM)照片，其中图3(b)为图3(a)中所示方框部分的放大图。
[0014]图4是按照本专利技术实施例4制备的Si3N4闭气孔陶瓷的扫描电子显微镜(SEM)照片，其中图4(b)为图4(a)中所示方框部分的放大图。
[0015]图5是按照本专利技术实施例4制备的Si3N4闭气孔陶瓷的X射线衍射(XRD)图谱。
具体实施方式
[0016]为了更清楚地理解本专利技术的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。
[0017]本专利技术以实验室自制的直径约为1μm的Si3N4中空微球为造孔剂制备Si3N4闭气孔陶瓷。首先通过干压成型工艺将Si3N4中空微球粉体压制成陶瓷素坯；然后为了避免后续致密化过程中应力导致的素坯开裂问题，提出了素坯预强化这一关键步骤，具体涉及Si粉氮化原位反应生成Si3N4强化微球骨架这一途径，该步骤可给予素坯一定强度，保证后续致密化过程中素坯有足够强度支撑而不被破坏，由此制备出具有一定强度的多孔Si3N4陶瓷预制体；之后，考虑到热压烧结过程中Si3N4中空微球在烧结助剂的作用下可能发生结构破坏，而且烧结过程中陶瓷会发生比较严重的体积收缩，本专利技术不沿用其他研究中涉及的传统烧结方法，而是采用先驱体浸渍裂解(Precursor infiltration pyrolysis，PIP)工艺对多孔Si3N4陶瓷预制体进行致密化，最终净尺寸制备获得Si3N4闭气孔隔热陶瓷。
[0018]综上，本专利技术提出干压成型结合Si粉氮化预强化制备多孔Si3N4陶瓷预制体，后通过PIP法致密化得到Si3N4闭气孔隔热陶瓷的方法。
[0019]实施例1
[0020]步骤1.Si3N4陶瓷素坯成型：将4.569g Si3N4中空微球和16.31g的Si粉混合得到混粉，再按照1:3的质量比将混粉和无水乙醇混合，经磁力搅拌4h后，旋转蒸发2h得到混合均匀的粉体；将粉体均匀填充到金属模具中，在模压机下150MPa保压2min，得到陶瓷素坯。
[0021]步骤2.Si3N4陶瓷素坯的预强化：将步骤2得到的Si3N4陶瓷素坯直接放入φ120管式炉中，持续本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅闭气孔隔热陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤1：Si3N4陶瓷素坯成型：将30～90vol.％的Si3N4中空微球和10～70vol.％的Si粉混合得到混粉，再将混粉和无水乙醇混合形成均匀的粉体；将粉体均匀填充到模具中，加压形成Si3N4陶瓷素坯；步骤2：Si3N4陶瓷素坯的预强化：将Si3N4陶瓷素坯直接放入氮化炉中，以N2作为反应气，保持气流量为60～100ml/min，从室温升温至1100～1200℃后缓慢升温至1350～1450℃保温4～6h，冷却后得到预强化的Si3N4陶瓷预制体；步骤3：对预强化的Si3N4陶瓷预制体进行先驱体浸渍裂解致密化处理，得到Si3N4闭气孔隔热陶瓷。2.按照权利要求1所述的方法，其中所述步骤1中，所述混粉与无水乙醇的质量比为1：1～1:5。3.按照权利要求1所述的方法，其中所述步骤1中，所述混合形成均匀的粉体包括将混粉和无水乙醇的混合物磁力搅拌4...

【专利技术属性】
技术研发人员：成来飞，叶昉，杨宏珂，赵凯，张立同，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：