CN104086183B - 一种气孔率可控多孔Si3N4的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种密度可控多孔Si3N4陶瓷制备方法，首先制备等轴状α相Si3N4粉乙醇浆料和纤维状α相Si3N4粉的乙醇浆料，然后按质量百分比70-99wt％Si3N4粉和1-30wt％烧结助剂Y2O3经磁力搅拌2-24h充分混合均匀，将混合粉料干燥、过筛、成型后，放入内壁涂有BN的石墨坩埚内，装入多功能烧结炉，在烧结温度1650-1850℃，保温时间1-4h，氮气压力为0.1-2MPa的条件下进行液相烧结，得到不同密度及气孔率的多孔β-Si3N4陶瓷；本方法工艺简单，可应用于干压成型、冷等静压成型、注浆成型、注射成型、挤压成型等多种成型方法。
Description
技术领域
本发明属于多孔Si3N4陶瓷的制备技术领域，具体涉及一种密度及气孔率可控多孔Si3N4陶瓷的制备方法。
技术背景
多孔氮化硅(Si3N4)陶瓷由于其耐磨损、耐腐蚀、抗热震性好、耐高温蠕变、自润滑好、化学稳定性、介电常数低、介电损耗小等特点，被广泛用作气体及液体过滤材料、热交换器、净化分离、化工催化载体、高级保温材料及透波材料等。
多孔氮化硅陶瓷的制备方法多种多样，为了满足各个领域的需要，根据工艺条件和性能要求，人们已经发展了多种多孔陶瓷的制备工艺。例如：挤压成型、颗粒堆积形成气孔结构、气体发泡形成多孔结构、有机泡沫浸渍法、添加造孔剂工艺、溶胶凝胶法等。对于多孔氮化硅陶瓷的制备，其关键在于精确控制陶瓷孔隙率。添加可去除物质作为造孔剂是一种常见的方法，通过后处理煅烧去除造孔剂从而形成多孔结构，但通常需要比较高的煅烧温度且不利于得到细小的孔结构。因氮化硅难于烧结的特性，通常采用液相烧结工艺，需要添加烧结助剂，因此，控制烧结助剂的种类与添加量也成为一种控制陶瓷孔结构的方法，但这种方法不利于精确控制气孔率，烧结助剂粉料特性及烧结时间温度等都会对烧结助剂的作用产生影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种气孔率可控多孔Si3N4的制备方法，工艺简单，可作为过滤、分离、吸音、敏感材料及生物陶瓷等材料广泛应用于化工、环保、生物等行业，提高现有多孔Si3N4陶瓷性能应用。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案予以实现：
一种密度可控多孔Si3N4陶瓷制备方法，包括下述步骤：
(1)将等轴状α相Si3N4粉以乙醇为溶剂，加入高纯Si3N4磨球，采用行星式球磨机球磨分散，其质量比为Si3N4粉：无水乙醇：磨球＝1：3：1；
(2)将纤维状α相Si3N4粉在乙醇介质中超声分散均匀，所述纤维状α相Si3N4粉为气相合成方法制备具有高长径比、棒状结构的α相Si3N4粉；
(3)按质量百分比70-99wt％Si3N4粉和1-30wt％烧结助剂Y2O3经磁力搅拌2-24h充分混合均匀，所述的Si3N4粉为步骤一制备的等轴状α相Si3N4粉乙醇浆料和步骤二制备的纤维状α相Si3N4粉的乙醇浆料的混合物，两者的选取比例任意；
(4)将混合粉料干燥、过筛、成型；
(5)试样在多功能烧结炉进行烧结，烧结温度1650-1850℃，保温时间1-4h，氮气压力为0.1-2MPa，得到多孔β-Si3N4陶瓷。
本发明的有益效果是：按照本发明的方法，通过调节配方及工艺，可以得到密度可控且具有高气孔率和良好力学性能的多孔Si3N4陶瓷材料，可以应用于化工、环保、生物等行业。
附图说明
图1为等轴状Si3N4原粉及纤维状Si3N4原粉显微形貌图，其中图1(a)为等轴状Si3N4原粉；图1(b)为纤维状Si3N4原粉。
图2为Si3N4原粉及实施例6常压液相烧结后XRD谱图，图中(a)曲线表示纤维状Si3N4原粉；(b)曲线为实施例6。
图3为四个实施例常压液相烧结后多孔陶瓷SEM照片，其中图3(a)实施例2；图3(b)实施例3；图3(c)实施例5；图3(d)实施例6。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细描述。
按表1所列的10个实施例，选取10组不同的质量百分配方比及工艺条件配制一种密度可控多孔Si3N4陶瓷，由上述方法得到的多孔β-Si3N4陶瓷，用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及万能拉伸试验机对试样进行成分分析、结构表征及性能测试。图1为本发明使用等轴状Si3N4原粉及纤维状Si3N4原粉显微形貌图。表1和表2为本发明实施例1－10原料组成及多孔Si3N4陶瓷烧结性能。Si3N4原粉及实施例5常压液相烧结后XRD谱图如图2所示。实施例2、3、5、6常压液相烧结后多孔陶瓷SEM照片如图3所示。
从图1中可看到，本发明使用等轴状Si3N4原粉为粒径均匀的晶粒，粒径约为1μm，而纤维状Si3N4粉为长8～10μm，宽约1μm的高长径比纤维状晶粒，而且晶粒尺寸分布不均匀，有部分大尺寸、低长径比的晶粒分布其中。
表1本发明实施例原料组成及制备工艺条件
表2可以看出：随着原料中纤维状Si3N4添加量的增加，多孔陶瓷素坯密度及烧结体密度逐渐下降，气孔率随之逐渐增加，而线收缩率也呈下降趋势。当纤维状Si3N4添加量由0％增至100％，多孔陶瓷素坯密度由1.43g/cm3降至1.26g/cm3，烧结体密度由1.67g/cm3降至1.39g/cm3，烧结线收缩率由5.57％降至3.43％，而气孔率则由47.8％增加至56.6％。制备陶瓷坯体时，纤维状Si3N4粉相互搭接，拱挢效应更为明显，抑制粉料在外力作用下的致密化，随着粉料中纤维状Si3N4粉含量增加，素坯密度逐渐减小。实验证明，烧结助剂含量对多孔陶瓷烧结性能有明显影响，烧结助剂含量越高，烧结时产生的液相越多，促进陶瓷致密化，陶瓷密度增加，收缩率增大。当烧结助剂含量为30％时，多孔陶瓷收缩率可达25％，气孔率为13％，强度为620MPa。
表2本发明多孔Si3N4陶瓷烧结性能
图2为Si3N4原粉及添加不同比例纤维状Si3N4粉烧结后多孔Si3N4陶瓷XRD谱图，由图中可知，Si3N4粉主晶相为α-Si3N4，经过高温烧结后，多孔陶瓷主晶相为β-Si3N4，并存在少量的Y2Si2O3N4相,为部分晶化的晶间玻璃相。Si3N4陶瓷在高温下由α相转变为β相，烧结助剂与Si3N4颗粒表面SiO2反应形成低共熔点的玻璃晶间相，β-Si3N4具有高长径比的棒状晶结构，棒状晶之间通过晶间相相互粘接，从而得到具有高孔隙率高强度的多孔Si3N4陶瓷。
图3为实施例1、实施例2、实施例4、实施例5常压液相烧结后SEM照片显微照片。从图中可以看出，当原料中未添加纤维状Si3N4粉时，多孔陶瓷较为致密，晶粒尺寸均匀，约为5μm，孔径较小。当纤维状Si3N4粉添加量增加至30wt％时，出现少量粗大晶粒，孔径增大，当纤维状Si3N4粉添加量增加至100wt％时，多孔陶瓷结构较为疏松，且粗大晶粒较多，孔径及晶粒尺寸分布不均匀。
Claims (1)
1.一种密度可控多孔Si3N4陶瓷制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一：将等轴状α相Si3N4粉以乙醇为溶剂，加入高纯Si3N4磨球，采用行星式球磨机球磨分散，其质量比为Si3N4粉：无水乙醇：磨球＝1：3：1；
步骤二：将纤维状α相Si3N4粉在乙醇介质中超声分散均匀，所述纤维状α相Si3N4粉为气相合成方法制备具有长8-10μm，宽1μm的高长径比纤维状晶粒，棒状结构的α相Si3N4粉；
步骤三：按质量百分比70-99wt％Si3N4粉和1-30wt％烧结助剂Y2O3经磁力搅拌2-24h充分混合均匀，所述的Si3N4粉为步骤一制备的等轴状α相Si3N4粉乙醇浆料和步骤二制备的纤维状α相Si3N4粉的乙醇浆料的混合物，两者的选取比例任意；
步骤四：将混合粉料干燥、过筛、成型；
步骤五：试样在多功能烧结炉进行烧结，烧结温度1650-1850℃，保温时间1-4h，氮气压力为0.1-2MPa，得到多孔β-Si3N4陶瓷。
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