可控气孔率的氮化硅多孔陶瓷及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可控气孔率的氮化硅多孔陶瓷及制备方法，按重量百分比，包括下述组分：硅粉１０～８０％、氧化硅１０．７～６０．７％、烧结助剂５～１０％、碳黑４．３～２４．３％。烧结助剂选自ＩＩａ族氧化物、ＩＩＩａ族氧化物或稀土元素氧化物的至少一种；将上述粉末湿法混合球磨，得到混合粉末，然后模压成形，成形坯体放入气氛炉中，在氮气压力为＞１个大气压下加热到１７００－１８５０℃保温１－１０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的强化材料等。

【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，特别涉及一种氮化硅多孔陶瓷及其制备方法。
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。根据所用起始粉末的不同，现有的 氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法有以下几种 1)气氛烧结法，如日本专利特开平10-67562提出的制作方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。还 有如日本专利特开2000-225985中涉及的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，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。 2)直接氮化法，如日本专利特开平1-188479中提出了用金属硅粉末为主要起始 原料先制作成形体，再放在氮气中直接反应进行氮化的方法制造氮化硅陶瓷。金属硅氮化 的反应式为3Si+2N2 — Si3N4。 3)碳热还原法，如中国专利200610041867. 7中提出了碳热还原法制备多孔氮化 硅的方法。在高温下由二氧化硅在氮气中引发3Si02+6C+2N2 — Si3N4+6C0的反应生成氮化 硅，利用上述反应也尝试制备了氮化硅多孔陶瓷。 以上三种制备方法中，每种方法都有优点，也有缺点。1)气氛烧结法，具有工艺简 单的优点，制备的氮化硅多孔陶瓷具有优良的微观结构和力学性能。缺点是需要大量的氮 化硅作为主要原料，氮化硅的制备成本较高，所以价格昂贵，导致气氛烧结法的原料成本太 高，不利于工业化生产。2)直接氮化法的优点是金属硅的成本极其低廉，使用金属硅作为主 要原料，大大降低氮化硅多孔陶瓷的生产成本。缺点是直接氮化法需要在高温下进行二次 烧结，才能制备出氮化硅多孔陶瓷，导致生产工艺复杂。当金属硅粉末在氮气中直接反应进 行氮化时，出现大量直径较粗的金属硅球团，这是由于在高温下，硅反应烧结熔化，结成球 团，氮化反应只在球团表面进行，所以金属硅粉末氮化不完全，导致产物中残留大量的游离 硅，大大降低了氮化硅多孔陶瓷的性能。 3)碳热还原法的优点是使用成本极其低廉的氧化硅粉末和碳粉作为主要原料，大 大降低氮化硅多孔陶瓷的生产成本，通过氧化硅的碳热还原反应，可以制备具有细小针状 结构的P相氮化硅晶粒，高气孔率(由于反应有44%的失重)，力学性能优异的51^4多孔 陶瓷。不足之处是碳热还原法需要少量的氮化硅作为晶种，一定程度上提高了生产成本，由 于反应有44%的失重导致烧结过程中产品有较大的收縮，对生产要求形状构件非常不利。
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，提供一种结合 直接氮化法和碳热还原法的优点制备可控气孔率的氮化硅多孔陶瓷的方法，具有产品性能 优异、生产工艺简单，制备成本低的优点，能生产要求形状构件。 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 —种可控气孔率的氮化硅多孔陶瓷，其特征在于，按重量百分比，包括下述组分 硅粉10 80%、氧化硅粉末10. 7 60. 7%、碳黑4. 3 24. 3%、烧结助剂5 10%，其中， 烧结助剂为IIa族氧化物、IIIa族氧化物或稀土元素氧化物的至少一种。 上述方案中，所述硅粉的Si含量〉99X重量，粉料平均粒径d5。〈5iim。所述氧 化硅粉末的3102含量>99%重量，粉料平均粒径(15。< 1.8iim。所述碳黑的(:含量>99% 重量，粉料平均粒径d5。 < 80nm。所述IIa族氧化物为CaO ;所述IIIa族氧化物为B203 ;所 述稀土元素氧化物为Y203、 Eu203或La203。 前述可控气孔率的氮化硅多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，包括下述步骤 (1)按重量百分数硅粉10 80%、氧化硅粉末10. 7 60. 7%、碳黑4. 3 24. 3%、烧结助剂5 10%分别称量，湿法球磨干燥后制备成混合粉末； (2)将混合粉末过筛，制成造粒料； (3)根据所需制品形状选择模具，将上述造粒料装入模具型腔内，模压成形为坯 件； (4)将坯件在氮气气氛下快速升温到120(TC，再慢速升温到160(TC，然后以 0. 6°C /min的升温速度升温到1700 185(TC，保温1 10小时，烧结过程中始终通入流动 氮气，最后随炉冷却，即获得氮化硅多孔陶瓷。 上述方法中，所述步骤(4)中氮气气氛压力为> 1个大气压。流动氮气的流量为 1 10L/min。快速升温是以20°C /min的升温速度进行；慢速升温是以1. 6°C /min的升温 速度进行。 本专利技术是结合直接氮化法和碳热还原法的优点，在烧结过程中，发生硅粉直接氮 化反应以及氧化硅碳热还原反应制备氮化硅多孔陶瓷。本专利技术的优点是(一)烧结过程 中，氧化硅经过碳热还原反应生成的氮化硅可以在硅粉直接氮化反应中起到稀释剂的作 用，提高了硅粉的氮化率。(二)硅粉经过反应烧结生成的氮化硅可以在碳热还原反应中 起到氮化硅晶种的作用，有利于具有细小针状结构的13相氮化硅晶粒生成，提高了产品的 力学性能。(三)硅粉代替碳热还原法原料中的氮化硅，降低了生产成本。(四)由于碳热 还原反应有44%的失重导致烧结过程中产品有较大的收縮，硅粉经过直接氮化反应生成氮 化硅，会产生较大的体积膨胀，可以抵消产品的收縮，达到净尺寸烧结的效果，对生产要求 形状构件非常有利。(五)由于氧化硅的碳热还原反应有44%的失重，硅粉的直接氮化法 有150%的增重，所以通过调节原料中氧化硅和硅粉的比例，可以有效的控制氮化硅多孔陶 瓷的气孔率。(六)由于硅粉的直接氮化法是放热反应，产生的大量热量导致硅熔化，结成 球团，不利于硅的氮化，氧化硅的碳热还原反应是吸热反应，吸收了硅粉的直接氮化产生的 热量，提高了硅粉的氮化率。(七)由于硅粉表面有氧化硅薄膜，不利于硅的氮化，原料中用 于氧化硅的碳热还原反应的碳粉与硅粉表面的氧化硅发生碳热还原反应，消除了氧化硅薄 膜，提高了硅粉的氮化率。 特别要提到的是，按照本专利技术的方法，通过调整配方组成，可以得到具有不同气孔 率和力学性能的氮化硅多孔陶瓷。该制备工艺因为结合直接氮化法和碳热还原法的优点， 以廉价的氧化硅粉末、硅粉、碳黑为主要原料从而进一步降低生产成本。与现有其它多孔陶 瓷的制备工艺相比，可以实现净尺寸烧结，不需要多余的机加工，对生产要求形状构件非常 有利，大大减化了生产工艺。与传统的直接氮化法相比，制备的氮化硅多孔陶瓷没有残余硅 的存在，对力学性能非常有利。本专利技术制备的氮化硅多孔陶瓷具有优异的微观组织和力学 性能。因为产品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为本专利技术实施例1烧结后的显微形貌照片。 图2为本专利技术实施例5烧结后的显微形貌照片。 图3为本专利技术实施例8烧结后的显微形貌照片。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。 本专利技术可控气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控气孔率的氮化硅多孔陶瓷，其特征在于，按重量百分比，包括下述组分：硅粉１０～８０％、氧化硅粉末１０．７～６０．７％、碳黑４．３～２４．３％、烧结助剂５～１０％，其中，烧结助剂为Ⅱａ族氧化物、Ⅲａ族氧化物或稀土元素氧化物的至少一种。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建锋，鲁元，陆伟忠，刘荣臻，乔冠军，金志浩，李春芳，
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]