CN100354230C - 一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法，即：将液体磷酸作为添加剂直接与α-氮化硅陶瓷粉料均匀混合，二者之重量配比为1∶15～2∶1；将混合料采用模压成型或者注浆成型的方法成型；将成型样品在300～500℃进行热处理并保温2～5小时，使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化；将热处理后的产物在900～1500℃氮气保护气氛下常压烧结，控制反应速率为100～200℃/小时和保温时间2～5小时，即得到一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料。本发明工艺简单、可重复性好、成本低，而且所制备的氮化硅多孔陶瓷材料具有孔隙分布均匀、孔径尺度小、孔隙率高和力学强度较高等优异性能。

Description

一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料领域，特别是涉及一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法。
背景技术
近年来，氮化硅多孔陶瓷作为一种高技术新型陶瓷，是在研究氮化硅陶瓷和多孔陶瓷基础上逐渐掀起的一种新型多孔陶瓷材料，因其充分发挥氮化硅陶瓷和多孔陶瓷两者的优异性能而受到全球材料界的高度关注。
氮化硅多孔陶瓷作为一种新型的“结构-功能”一体化陶瓷材料，除了具有高比强、高比模、耐高温、抗氧化、耐磨损和抗热震等优良的综合性能外，还具有下列一些多孔特性：(1)耐热性好；(2)化学稳定性好；(3)几何表面积与体积比高；(4)具有高度开口、内连的气孔；(5)孔道分布较均匀，气孔尺寸可控；(6)具有良好的机械强度和刚度，在气压、液压或其它应力负载下，多孔体的孔道形状和尺寸不发生变化。
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，其潜在应用可广泛分布于化工、环保、生物等行业作为过滤、分离、吸音、敏感材料及生物陶瓷等等。此外，在半导体工业、电子、军事和核工业方面也有不少的应用。
氮化硅多孔陶瓷的气孔率、孔径的调节与控制主要是通过粉料颗粒配比、成型密度和添加成孔剂以及β相转变的方法来实现。目前多孔氮化硅陶瓷的制备方法有很多种，如添加适量的成孔剂形成孔隙，或者通过控制烧结助剂的含量，利用低烧结助剂含量而形成适当孔隙，以及通过氧化硅的碳热反应烧结的方法制备β-氮化硅多孔材料，此外还有冷冻法、部分热压法、燃烧合成法等制备氮化硅多孔陶瓷的技术。如用聚氨基甲酸乙酯做发泡剂，经浇注成形，制备氮化硅多孔陶瓷已见报道，虽然可以制备孔隙可控的氮化硅多孔材料，但是这种工艺复杂，成本高，不易制备孔径较小的材料，并且这种方法在制备氮化物陶瓷时常常遇到成孔剂燃烧不彻底的问题。采用反应烧结的方法比较容易制备高孔隙率且力学性能较好的多孔氮化硅材料，但是反应温度较高，得到的全部是β-氮化硅的多孔体。
通过对国内外专利与文献的查新结果表明：还没有使用磷酸作为添加剂制备多孔氮化硅陶瓷材料的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种比较简易的方法，在较低的温度下制备具有性能优异的氮化硅多孔陶瓷材料，并开发一种新型的无机溶剂(磷酸)取代有机物造孔剂制备多孔氮化硅材料的新方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将液体磷酸作为添加剂直接与α-氮化硅陶瓷粉料均匀混合，二者之重量配比为1∶15～2∶1，液体磷酸的重量浓度为70～98％；将混合料采用模压成型或者注浆成型的方法成型；将成型样品在300～500℃进行热处理并保温2～5小时，在此温度下，利用磷酸与氮化硅颗粒表面的非晶氧化硅膜层在300～500℃反应形成焦磷酸硅(SiP2O7)，使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化；将热处理后的产物在900～1500℃氮气保护气氛下常压烧结，控制反应速率为100～200℃/小时和保温时间2～5小时，即得到一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料。
本发明利用磷酸与氮化硅颗粒表面的非晶氧化硅膜层在300～500℃反应并形成焦磷酸硅，增大了氮化硅颗粒的表面活性，并且这种焦磷酸硅可以十分有效地作为粘结剂促使氮化硅颗粒进行粘结，从而使得多孔氮化硅陶瓷材料具备较高的强度；在反应过程中，基于磷酸不断挥发并形成多孔这样一种造孔、烧结机理，制备出具有高孔隙率、孔径较小、孔隙分布均匀和较高力学(抗弯)强度的氮化硅多孔陶瓷材料。
本发明工艺简单、可重复性好、成本低，而且所制备的氮化硅多孔陶瓷材料具有孔隙分布均匀、孔径尺度小、孔隙率高和力学强度较高等优异性能。
附图说明
图1是本发明工艺流程示意图。
图2为实施例1产物的XRD图。
图3为实施例1产物的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法，其工艺流程如图1所示：包括混合、模压成型或者注浆成型、热处理和烧结工序。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
按下述步骤制备氮化硅多孔陶瓷材料：
(1)将液体磷酸作为添加剂直接与粒径小于5μm的α-氮化硅陶瓷粉料均匀混合，二者之重量配比为1∶15～2∶1。液体磷酸的重量浓度为70～98％。
(2)将混合料采用模压成型或者注浆成型的方法成型，其中，模压成型压力为10～50Mpa。
(3)将经过成型的样品在300～500℃进行热处理并保温2～5小时，在此温度下，利用磷酸与氮化硅颗粒表面的非晶氧化硅膜层在300～500℃反应形成焦磷酸硅(SiP2O7)，使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化。
(4)将热处理后的产物在900～1500℃氮气保护气氛下常压烧结，控制反应速率为100～200℃/小时和保温时间2～5小时，得到一种高孔隙率、孔径尺度较小、力学强度较高和材料密度为1.0～2.3g/cm3的高性能的氮化硅多孔陶瓷材料。
实施例1；(1)将重量浓度为85％的磷酸与粒径小于0.5μm的α-氮化硅粉料按照重量比为1∶4均匀混合；(2)通过10MPa模压处理使材料成型；(3)500℃进行热处理使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化、反应生成焦磷酸硅，并保温2小时；(4)氮气气氛保护下于1000℃进行常压烧结，升温速率为100℃/小时，保温2小时。可以得到气孔率45％，抗弯强度为82MPa的氮化硅多孔陶瓷材料。
分析测试表明(见图2)：产物的主要物相为α-氮化硅，仍然保持了原料的主要物相，没有发生相转变。氮化硅表面的氧化硅膜与磷酸发生了发应，生成了微量的SiP2O7(焦磷酸硅)微量的焦磷酸硅说明了500℃进行一次热处理时氮化硅表面的非晶氧化硅膜与磷酸发生发应，使得这种氮化硅多孔陶瓷材料具有较高的力学强度。通过这种方法制备出来的氮化硅多孔陶瓷材料孔隙分布比较均匀，孔隙率高，孔径尺度较小。
分析测试表明(见图3)：制备出来的氮化硅多孔陶瓷材料孔隙率较高，孔隙分布比较均匀，孔径尺度小。
实施例2：(1)将重量浓度为90％的磷酸与粒径为2μm的α-氮化硅粉料按照重量比为1∶10均匀混合；(2)通过50MPa模压处理使材料成型；(3)500℃进行热处理使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化、反应生成焦磷酸硅，并保温2小时；(4)氮气气氛保护下于900℃进行常压烧结，升温速率为100℃/小时，保温2小时。可以得到气孔率50％，抗弯强度为112MPa的氮化硅多孔陶瓷材料。
实施例3：(1)将重量浓度为70％的磷酸与粒径小于0.5μm的α-氮化硅粉料按照重量比为1∶5均匀混合；(2)通过10MPa模压处理使材料成型；(3)500℃进行热处理使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化、反应生成焦磷酸硅，并保温2小时；(4)氮气气氛保护下于1200℃进行常压烧结，升温速率为100℃/小时，保温5小时。可以得到气孔率60％，抗弯强度为66MPa的氮化硅多孔陶瓷材料。
实施例4：(1)将重量浓度为98％的磷酸与粒径为2μm的α-氮化硅粉料按照重量比为1∶15均匀混合；(2)通过50MPa模压处理使材料成型；(3)300℃进行热处理使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化、反应生成焦磷酸硅，并保温2小时；(4)氮气气氛保护下于1500℃进行常压烧结，升温速率为200℃/小时，保温2小时。可以得到气孔率42％，抗弯强度为54MPa的氮化硅多孔陶瓷材料。
实施例5：(1)将重量浓度为85％磷酸与粒径小于0.5μm的α-氮化硅粉料按照重量比为2∶1均匀混合；(2)通过注浆成型方式使材料成型；(3)500℃进行热处理使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化、反应生成焦磷酸硅，并保温2小时；(4)氮气气氛保护下于1000℃进行常压烧结，升温速率为100℃/小时，保温2小时。可以得到孔隙率为70％的氮化硅多孔陶瓷。

Claims (4)

1.一种氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法，其特征是一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法，其按下述步骤进行：
(1)将液体磷酸作为添加剂直接与α-氮化硅陶瓷粉料均匀混合，二者之重量配比为1∶15～2∶1，液体磷酸的重量浓度为70～98％，
(2)将混合料采用模压成型或者注浆成型的方法成型，
(3)将成型样品在300～500℃进行热处理并保温2～5小时，在此温度下，利用磷酸与氮化硅颗粒表面的非晶氧化硅膜层在300～500℃反应形成焦磷酸硅，使氮化硅颗粒表面通过磷酸作用得到净化，
(4)将热处理后的产物在900～1500℃氮气保护气氛下常压烧结，控制反应速率为100～200℃/小时和保温时间2～5小时，即得到一种磷酸作为添加剂的氮化硅多孔陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：α-氮化硅陶瓷粉料粒径小于5μm。
3.根据权利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：模压成型压力为10～50Mpa。
4.根据权利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷材料的制备方法，其特征在于：氮化硅多孔陶瓷材料的密度为1.0～2.3g/cm3。
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