CN101700985A - 一种氮化硅基封孔涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮化硅基封孔涂层的制备方法，该方法是：先将氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉体，与聚乙烯醇、三聚磷酸钠和水按照配比进行充分球磨混合，制得氮化硅基料浆，该料浆利用常温喷涂的方法在氮化硅基多孔陶瓷基体表面进行涂覆，得到生坯；生坯在常温干燥12～24小时后，于200～400℃进行排胶并保温5～24小时；排胶后的生坯在1400～1700℃氮气保护气氛下常压烧结并保温1～5小时，即得到致密的氮化硅基封孔涂层。本发明工艺简单、原料和工艺成本低、可重复性好，所制备的氮化硅基封孔涂层厚度均匀可控，结构致密，无微观裂纹，与氮化硅基多孔陶瓷基体结合良好。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷封孔涂层材料领域，特别是涉及一种在氮化硅基多孔陶瓷表面制备致密的氮化硅基封孔涂层的方法。
背景技术
近年来，氮化硅基多孔陶瓷因同时具有氮化硅陶瓷和多孔陶瓷的优异性能而受到全球材料界的高度关注。氮化硅陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、硬度高、韧性好、热膨胀系数低等特点；而氮化硅基多孔陶瓷除具有氮化硅陶瓷的优异性能外，还具有体积密度小、比表面积大、热导率低、介电常数和介电损耗低等特点，因此其在气体和液体净化分离、化工催化载体、传感器和航空航天电磁窗口等方面具有重要的应用前景。但是，氮化硅基多孔陶瓷的抗粒子侵蚀能力差，表面易吸潮，且表面粗糙，存在大量微裂纹，严重影响其力学强度和电学、热学等物理性能。为此，在氮化硅基多孔陶瓷表面制备致密的封孔涂层是解决上述问题的有效途径，不仅可以改善氮化硅基多孔陶瓷的防潮抗渗性能，进一步提高其力学强度、耐磨性和抗粒子冲蚀等性能，而且还可以提高其电学和热学等物理性能的稳定性。
封孔涂层材料按成分可分为有机封孔涂层和无机封孔涂层两大类。对于陶瓷基复合材料，有机封孔涂层不耐高温，且耐磨性差；而采用氮化硅作为氮化硅基多孔陶瓷的封孔涂层材料，由于二者的化学和物理性能相似，可以满足氮化硅基多孔陶瓷的各项使用要求和物理性能。封孔涂层的制备方法主要有喷涂法、溶胶一凝胶法、气相沉积法、复合镀层法、激光法等。由于氮化硅在1900℃即分解为硅和氮气，而采用热喷涂法其喷涂温度在2000℃以上，无法得到涂层；溶胶-凝胶法必须得到分散性好、稳定性好的溶胶，不适宜于氮化硅材料；化学气相沉积法制备的涂层厚度都在纳米数量级，无法满足封孔涂层的要求。因此，需要探索一种新的涂层制备工艺，在氮化硅多孔陶瓷基体上制备氮化硅基致密封孔涂层。
通过对国内外专利与文献的查新结果表明：还没有关于采用氮化硅和常温喷涂法在氮化硅基多孔陶瓷表面制备封孔涂层的报道。
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，利用常温喷涂工艺，在氮化硅基多孔陶瓷表面得到致密的、厚度可控的氮化硅基封孔涂层。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明采用氧化镁、氧化铝、氧化硅作为烧结助剂，聚乙烯醇作为粘结剂，三聚磷酸钠作为分散剂，水作为溶剂，然后按下述步骤制备氮化硅基封孔涂层：
(1)将氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉体按重量配比为(50～60)∶(6～12)∶(4～8)∶(20～30)均匀混合，再加入与混合物的质量百分比为0.3％的聚乙烯醇、0.3％的三聚磷酸钠、0.8～1％的水进行球磨混合，得到氮化硅基料浆，
(2)将氮化硅基料浆利用常温喷涂的方法在试样进行涂覆，得到涂覆的生坯，所述试样是指氮化硅基多孔陶瓷表面，
(3)将生坯在常温条件下干燥12～24小时，
(4)将干燥后的生坯在200～400℃进行排胶并保温5～24小时，将热处理后的产物在1400～1700℃氮气保护气氛下常压烧结，控制升温速率为50～200℃/小时和保温时间为1～5小时，即得到氮化硅基封孔涂层。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
本发明通过调制氮化硅基料浆，在氮化硅基多孔陶瓷基体表面利用常温喷涂的方法制备生坯并于高温烧制制备氮化硅基封孔涂层。为使氮化硅基封孔涂层与氮化硅基多孔陶瓷满足热物理性能的匹配，采用氧化镁、氧化铝、氧化硅作为烧结助剂，一是为实现封孔涂层的致密化烧结，二是为调配封孔涂层的热膨胀系数并使之与氮化硅基多孔陶瓷基体的热膨胀系数接近。制备得到的得到的氮化硅基封孔涂层的主相为α-氮化硅或β-氮化硅，厚度为10～100μm，结构致密，维氏硬度值1～5GPa，结合强度大于10MPa，氮化硅基多孔陶瓷基本保持了初始的形貌特征，且与封孔涂层结合良好，界面清晰、平整，无微观裂纹。
本发明具有工艺简单、原料和工艺成本低、可重复性好等特点，所制备的氮化硅基封孔涂层具有厚度均匀可控，结构致密，与氮化硅基多孔陶瓷基体结合良好，无微观裂纹等优异性能。
附图说明
图1是实施例1产物的X射线衍射图。
图2是实施例1产物断口的扫描电镜图以及X射线能谱分析结果。
具体实施方式
本发明提供的氮化硅基封孔涂层的制备方法，其包括料浆制备、常温喷涂、干燥、排胶和烧结工序，具体如下：
料浆制备：将平均粒径为0.3～0.5μm的氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉体按重量配比为(50～60)∶(6～12)∶(4～8)∶(20～30)均匀混合，再加入与混合物的质量百分比为0.3％的聚乙烯醇、0.3％的三聚磷酸钠、0.8～1％的水进行球磨混合，得到氮化硅基料浆；在球磨时使用尼龙制球磨罐，以氮化硅球为研磨介质，球磨时间为0.5～10小时。
常温喷涂：将氮化硅基料浆利用常温喷涂的方法在氮化硅基多孔陶瓷表面(试样)进行涂覆，得到涂覆的生坯。试样与喷枪之间的距离为10～30厘米，喷涂时间为3～30分钟。
干燥：将已涂覆的生坯在常温条件下干燥12～24小时；
排胶和烧结：将干燥后的生坯在200～400℃进行排胶并保温5～24小时，将热处理后的产物在1400℃～1700℃氮气保护气氛下常压烧结，控制升温速率为50～200℃/小时并保温时间1～5小时，即得到氮化硅基致密封孔涂层。
所得到的氮化硅基封孔涂层的主相为α-氮化硅或β-氮化硅，结构致密，厚度为10～100μm，维氏硬度值为1～5GPa，结合强度大于等于10MPa。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
将平均粒径小于0.5μm的氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉按重量配比为50∶12∶8∶30均匀混合，得到混合物，再加入与混合物的质量百分比为0.3％的聚乙烯醇、0.3％的三聚磷酸钠和0.8％的水球磨混合2小时，得到混合均匀的料浆，该料浆利用常温喷涂的方法在氮化硅基多孔陶瓷基体表面进行涂覆，保持试样与喷枪之间的距离为20厘米，喷涂时间为10分钟，得到生坯，该生坯在常温干燥24小时后于400℃进行排胶并保温10小时，然后将热处理后的产物在氮气气氛保护下1450℃进行常压烧结，控制升温速率为100℃/min，保温2小时，随炉冷却，即得到氮化硅基封孔涂层。
分析测试表明(见图1)：产物中氮化硅的衍射峰与原料中氮化硅的XRD特征峰一致，为α-氮化硅相，另外，还检测出方石英、原顽火辉石和堇青石等物相产生，这是加入的烧结助剂所形成的液相经冷却而成，而液相的出现，促进了氮化硅涂层的致密化和在氮化硅基多孔陶瓷基体表面的均化铺平。
分析测试表明(见图2)：制备得到的封孔涂层的厚度约为50μm，结构致密，且封孔涂层与氮化硅基多孔陶瓷基体结合良好，界面清晰、平整，无微观裂纹。镁、铝、硅元素的线扫描分布类似，在封孔涂层与基体的结合处呈梯度变化，显示了料浆由孔道渗入氮化硅基多孔陶瓷内部而产生的封孔效果。
实施例2：
将平均粒径小于0.5μm的氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉按重量配比为60∶12∶8∶20均匀混合，得到混合物，再加入与混合物的质量百分比为0.3％的聚乙烯醇、0.3％的三聚磷酸钠和1％的水球磨混合1小时，得到混合均匀的料浆，该料浆利用常温喷涂的方法在氮化硅基多孔陶瓷基体表面进行涂覆，保持试样与喷枪之间的距离为20厘米，喷涂时间为10分钟，得到生坯，该生坯在常温干燥24小时后于500℃进行排胶并保温10小时，然后将热处理后的产物在氮气气氛保护下1700℃进行常压烧结，控制升温速率为100℃/min，保温5小时，随炉冷却。即得到主相为β-氮化硅，厚度约为35μm，结构致密的氮化硅基封孔涂层。
实施例3：
将平均粒径小于0.5μm的氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉按重量配比为60∶6∶4∶30均匀混合，得到混合物，再加入与混合物的质量百分比为0.3％的聚乙烯醇、0.3％的三聚磷酸钠和1％的水球磨混合1小时，得到混合均匀的料浆，该料浆利用常温喷涂的方法在氮化硅基多孔陶瓷基体表面进行涂覆，保持试样与喷枪之间的距离为15厘米，喷涂时间为30分钟，得到生坯，该生坯在常温干燥24小时后于500℃进行排胶并保温10小时，然后将热处理后的产物在氮气气氛保护下1600℃进行常压烧结，控制升温速率为100℃/min，保温5小时，随炉冷却。即得到主相为β-氮化硅，厚度约为100μm，结构致密的氮化硅基封孔涂层。
实施例4：
将平均粒径为0.3pμm的氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉按重量配比为60∶6∶4∶30均匀混合，得到混合物，再加入与混合物的质量百分比为0.3％的聚乙烯醇、0.3％的三聚磷酸钠和1％的水球磨混合0.5小时，得到混合均匀的料浆，该料浆利用常温喷涂的方法在氮化硅基多孔陶瓷基体表面进行涂覆，保持试样与喷枪之间的距离为15厘米，喷涂时间为3分钟，得到生坯，该生坯在常温干燥24小时后于500℃进行排胶并保温10小时，然后将热处理后的产物在氮气气氛保护下1600℃进行常压烧结，控制升温速率为100℃/min，保温5小时，随炉冷却。即得到主相为β-氮化硅，厚度约为10μm，结构致密的氮化硅基封孔涂层。
上述实施例不是对本发明的限制，其可以作为对本发明更进一步的理解。
Claims (6)
1.一种氮化硅基封孔涂层的制备方法，其特征是一种在氮化硅基多孔陶瓷表面进行致密的氮化硅基封孔涂层的制备方法，其按下述步骤进行：
(1)将氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉体按重量配比为(50～60)∶(6～12)∶(4～8)∶(20～30)均匀混合，再加入与混合物的质量百分比为0.3％的聚乙烯醇、0.3％的三聚磷酸钠、0.8～1％的水进行球磨混合，得到氮化硅基料浆，
(2)将氮化硅基料浆利用常温喷涂的方法在试样进行涂覆，得到涂覆的生坯，所述试样是指氮化硅基多孔陶瓷表面，
(3)将生坯在常温条件下干燥12～24小时，
(4)将干燥后的生坯在200～400℃进行排胶并保温5～24小时，将热处理后的产物在1400～1700℃氮气保护气氛下常压烧结，控制升温速率为50～200℃/小时和保温时间为1～5小时，即得到氮化硅基封孔涂层。
2.根据权利要求1所述的氮化硅基封孔涂层的制备方法，其特征在于：在球磨时使用尼龙制球磨罐，以氮化硅球为研磨介质，球磨时间为0.5～10小时。
3.根据权利要求1所述的氮化硅基封孔涂层的制备方法，其特征在于：氮化硅基多孔陶瓷基体的孔隙率等于和不高于70％。
4.根据权利要求1所述的氮化硅基封孔涂层的制备方法，其特征在于：常温喷涂过程中，试样与喷枪之间的距离为10～30厘米，喷涂时间为3～30分钟。
5.根据权利要求1所述的氮化硅基封孔涂层的制备方法，其特征在于：所得到的氮化硅基封孔涂层的主相为α-氮化硅或β-氮化硅，厚度为10～100μm，维氏硬度值为1～5GPa，结合强度大于等于10MPa。
6.根据权利要求1所述的氮化硅基封孔涂层的制备方法，其特征在于：氮化硅、氧化镁、氧化铝、氧化硅粉体的平均粒径0.3～0.5μm。
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