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一文认识氮化硅多孔陶瓷
2017年09月20日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:5932
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氮化硅多孔陶瓷既是优良的高温结构材料,又是新型的功能材料。具有体积密度小、比表面积大及独特的物理表面特性,对液体和气体介质有选择性透过性,具有能量吸收或阻尼特性,并具有陶瓷特有的耐高温、耐腐蚀、高的化学稳定性和尺寸稳定性。目前,在过滤、净化分离、化工催化载体、吸声减震、高级保温材料和传感材料等领域,具有广阔的应用前景。

 

一、氮化硅多孔陶瓷制备方法

氮化硅多孔陶瓷的制备方法主要有碳热还原法、添加造孔剂、凝胶铸模法、部分热压法、添加造孔剂法等。

 

目前,增强相(孔)的大小形状及分布、基体材料(氮化硅)本身的性质、基体材料与增强相之间的相互作用等,是氮化硅多孔陶瓷的研究热点。

 

(一)碳热还原法制备

碳热还原法制备多孔氮化硅是通过二氧化硅和碳在高温氮气气氛下的碳热还原反应原位生成α-Si3N4,后在烧结助剂的作用下相变成β-Si3N4。其中由于44%的反应失重得到多孔氮化硅。

 

碳热还原法优点是:(1)烧结体的孔径较小,比表面积大,而且形成的是空间网络结构,可用作过滤器件。(2)产物表现出多样性,可满足不同应用的需求。

 

(二)凝胶铸模成型制备

凝胶铸模法制备多孔氮化硅陶瓷是利用柱状的β-Si3N4晶粒搭建多孔结构,以SiO2溶胶作为成型的单体,利用溶胶的凝胶过程成型后,进行烧结。

 

1  凝胶铸模法制备多孔氮化硅陶瓷工艺流程图

 

凝胶铸模法优点是:(1)可以使Si3N4在空气气氛下烧结,而不必添加保护气氛。

2)SiO2在烧结过程中可以作为烧结助剂,提高了烧结体的强度。

3)无需加入大量有机物,简化了烧结工艺,保证了制品的性能。

 

(三)部分热压法

部分热压是以Y2O3MgO和CaO为添加剂,制备气孔率在0.009~0.236的多孔氮化硅陶瓷。该法制备的多孔氮化硅陶瓷是由众多长柱状的β-Si3N4晶粒及部分残余的α- Si3N4构成,气孔由长柱状的β- Si3N4搭接形成,其形状不规则。

 

部分热压制备氮化硅多孔陶瓷的工艺过程:

1)混料。把Si3N4粉体与5%(质量分数)的Y2O3(纯度>99.9%,平均粒径为1μm),0.5%的MgO,0.5%的CaO混合。

2)球磨。加入适量乙醇,在行星式球磨机湿磨24小时,球磨得到的浆料干燥后,通过粒径为74μm筛网过筛备用。

3)热压烧结。所用石墨模具由上压头,下压头组成,腔体内径为∅62mm,通过控制热压烧结石墨模具的上下压头高度和装料量,从而使试样经过一段时间的热压烧结,体积收缩到一定程度(试样高度+上压头高度+下压头高度≤外模高度)后,压力传递到石墨模具外模上,直至烧结过程完成。

 

部分热压法优点是:(1)可以控制多孔陶瓷气孔率;(2)不需添加剂。


(四)添加造孔剂法

造孔剂法是通过在Si3N4陶瓷粉体中添加造孔剂,利用造孔剂在坯体中占据一定的空间,然后经过烧结,造孔剂离开基体而成气孔来制备Si3N4多孔陶瓷。

 

造孔剂的种类、粒径和用量的选择十分考究。常用的造孔剂分为无机和有机两类。无机造孔剂有碳酸铵、碳酸钙、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解盐类;有机造孔剂主要是天然纤维、高分子聚合物和有机酸等。

 

造孔剂法优点是(1)可以制备各种不同孔径及分布的多孔陶瓷,满足各种使用要求;(2)成本最低。

   

(五)淀粉固结工艺制备

淀粉固结法是以氮化硅、氮化硼,和二氧化硅作为陶瓷基体材料,通过淀粉固结工艺,采用常压部分氧化烧结制备Si3N4多孔陶瓷。并通过控制淀粉的体积分数、尺寸和几何形状来控制孔隙率和孔结构,从而控制材料的最终性能。

 

目前,通过添加淀粉作为造孔剂及固结剂,采用部分氧化烧结工艺,已成功制备出显气孔率高达73. 17% 的多孔氮化硅基复合材料。

 

(六)挤压成型制备

挤压成型制备多孔氮化硅陶瓷是以甲基纤维素作粘结剂配制氮化硅泥料,利用柱塞式挤压模具通过挤压成形法制备多孔氮化硅陶瓷。所用的氮化硅粉体中α相含量大于95%,平均粒径约为1 μm。甲基纤维素作为粘结剂,氧化钇作为烧结助剂。工艺流程是:

 

1)干混。把氮化硅、氧化钇和甲基纤维素粉末进行干混。

2)轮碾。加入水和甘油在研钵中轮辗约20 min,以打破颗粒团聚并获得组分均匀的泥料。原料中各成分配比为(质量分数):氮化硅:68.6 %,氧化钇:3.4 %,甲基纤维素:2.3 %,水:18.8 %,甘油:6.9 %,最终泥料中液相体积分数为50.3%。

3)挤压成型。把泥料放入自制的柱塞式挤压模具中在常温下进行挤压成型,制备氮化硅多孔陶瓷坯体,

4)干燥。在40 ℃下烘干试样。

5)烧结。将试样放入涂有氮化硼的石墨坩埚里,在烧结炉中烧结。烧结温度为1750 ℃,烧结气氛为0.5 MPa 的氮气压,时间为2 h。

 

二、氮化硅多孔陶瓷应用

氮化硅多孔陶瓷作为一种性能优异、前景广阔的新型多孔材料,其作为过滤、分离、吸音、敏感材料及生物陶瓷,可广泛应用于化工、环保、生物等领域。

 

(1)过滤及分离。Si3N4多孔陶瓷作为过滤装置,具有过滤面积大,过滤效率高的特点,再加上耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、机械强度高等优点,在腐蚀性流体、高温流体、熔融金属以及过滤流体中的放射性物质等应用领域,将有其独特的优势。

 

Si3N4多孔陶瓷过滤装置,

 

(2)防火材料。作为吸音材料的多孔陶瓷要求较小的孔径(20~150µm),相当高的气孔率(60%以上)及较高的机械强度。由于氮化硅陶瓷具有优良的耐火性和耐气候性,因而Si3N4多孔陶瓷可望用在地铁等防火要求极高的场合。

 

Si3N4多孔陶瓷防火材料

 

(3)用作隔膜材料。目前广泛使用的多孔陶瓷膜材质有氧化铝质、石英质、硅酸铝质。实验证明氮化硅质的多孔陶瓷隔膜材料强度明显高于常用氧化铝质,因而在固体氧化物隔膜领域应用前景广阔。 

 

应用于手机的氮化硅质的多孔陶瓷隔膜材料

 

(4)用作敏感元件。多孔陶瓷可用作湿敏传感器、测量压力及红外发射、吸收等元件,且氮化硅陶瓷耐高温、耐腐蚀,适应许多特殊场合,Si3N4多孔陶瓷在敏感元件上更具有广阔的开发前景。

 

Si3N4多孔陶瓷敏感元件

 

5)生物工程材料。由于Si3N4多孔陶瓷生物相容性好,理化性能稳定,无毒副作用,目前,氮化硅多孔陶瓷已成功应用于用作医学、生物材料。

 

作者:李波涛

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