專利名稱：一種碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于材料技術領域，具體涉及一種采用碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的方法。
背景技術：
多孔氮化硅陶瓷是一種極具潛力的高溫過濾材料和透波材料。作為這兩種材料，多孔氮化硅陶瓷必須在具有高孔隙率的同時具有較高的強度。文獻“Microstructure and properties of porous Si3N4ceramics with adensesurface.1nt.J.App1.Ceram.Technol.,8 (2011), N0.627 - 636” 公開了一種多孔氣化硅陶瓷的制備方法。在Si3N4粉中加入5%的氧化镥作為燒結助劑，加入5^35%的酚醛樹脂作為造孔劑，混合均勻后在IOOMPa的壓力下采用冷壓工藝成型，最后在0.3MPa的氮氣保護下1800°C燒結2小時，制備出孔隙率高、孔連通性好的多孔氮化硅陶瓷。該多孔氮化硅陶瓷的彎曲強度為143MPa 207MPa，孔隙率為46 53%，全部為開氣孔。該多孔氮化硅陶瓷滿足過濾材料和透波材料的性能要求，但該多孔氮化硅陶瓷采用的冷壓成型工藝，只適合制備一些形狀簡單的構件。若要采用該方法制備形狀復雜的構件，必須先燒結出尺寸較大的陶瓷，然后再根據構件的形狀進行相應的磨削加工。這樣做一方面會造成很大的浪費，另一方面會增加構件的制造成本。文獻“Effectof chemical vapor infiltration of Si3N4On themechanical anddielectric properties of porous Si3N4ceramic fabricated by atechniquecombining3_D printing and pressureless sintering.Scripta Mater.,67(2012)，N0.380-383”也公開了一種多孔氮化硅陶瓷的制備方法，在氮化硅粉中加入5%的氧化镥作為燒結助劑，加入10%的糊精作為造孔劑，然后根據構件的形狀，采用三維打印技術打印出相應形狀的坯體，最后在0.3MPa的氮氣保護下1800°C燒結0.5^2小時，制備出孔隙率高達68 76%的多孔氮化硅陶瓷。三維打印技術可以成型形狀復雜的多孔氮化硅陶瓷構件，但采用該技術制備的多孔氮化硅陶瓷的強度僅有6MPa 13MPa，根本無法使用。為了提高該多孔氮化硅陶瓷的強度，文獻中利用了化學氣相沉積工藝將該多孔氮化硅陶瓷的強度提高至61MPa 95MPa，此時的多孔氮化硅陶瓷仍具有61飛4%的孔隙率，滿足過濾材料和透波材料的性能要求，而且化學氣相沉積后的多孔氮化硅陶瓷能夠保留其原始形狀。但是該多孔氮化硅陶瓷的制備工序復雜，且化學氣相沉積工藝昂貴的價格大大增加了多孔氮化硅陶瓷構件的制造成本。

發(fā)明內容

為了克服傳統(tǒng)冷壓工藝難以制備形狀復雜的多孔氮化硅陶瓷構件，以及其它一些工藝制備多孔氮化硅陶瓷構件成本太高的不足，本發(fā)明目的在于，提供一種可以制備復雜形狀的低成本多孔氮化硅陶瓷的制備方法。該方法將碳酸氫銨加入到氮化硅漿料中，然后把漿料澆鑄到模具中，通過調節(jié)發(fā)泡壓力，控制發(fā)泡溫度，可得到具有復雜形狀的陶瓷坯體，最后采用無壓燒結工藝將該陶瓷坯體燒結，可制備出具有復雜形狀的多孔氮化硅陶瓷構件。為了實現上述任務，本發(fā)明采用以下的技術解決方案:—種碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷，其特征在于，包括下述步驟:(a)混合粉料制備將粒徑為0.6^2微米的氮化硅粉、糊精和氧化釔粉混合制成混合粉料，其中，以質量百分數計，糊精占混合粉料質量的1(Γ20%，氧化釔占混合粉料質量的5 8%，其余為氮化硅粉；將混合粉體倒入球磨罐中，按每100克混合粉料加入15 25顆直徑為8 12毫米的氧化鋁球，干球磨1(Γ20小時，干球磨完成后冷卻至5 10°C。(b)漿料制備在5 10°C的溫度下，按每100克純凈水加入15 20克碳酸氫銨的比例配制出碳酸氫銨溶液；按每100克混合粉料加入8(Γ120毫升碳酸氫銨溶液的比例，將碳酸氫銨溶液倒入前面混好的粉體中，濕球磨5 10分鐘，得到漿料。(C)陶瓷坯體發(fā)泡成型在5 10°C的溫度下，將漿料倒入具有所需形狀的氧化鋁模具中，然后將模具放入密閉的容器中，并向容器中通入氣體加壓，利用安裝在容器上的恒壓閥將容器的壓力控制在0.2^0.5MPa ;利用容器中的溫度控制器對容器的溫度進行調節(jié)，先升溫至5(T70°C，保溫Γ2小時，然后升溫至9(T10(TC，保溫5 10小時，期間容器的壓力保持恒定；

(d)陶瓷坯體燒結調節(jié)容器的恒壓閥，讓容器緩慢泄壓，為避免在泄壓過程中陶瓷坯體內部氣體膨脹過快使坯體開裂，泄壓速度控制在每分鐘0.02MPa^0.05MPa,泄壓完畢后將陶瓷坯體取出，放入高溫燒結爐中，通入0.2MPa 0.4MPa的氮氣，升溫至165(Tl700°C燒結2 4小時，即可得到多孔氮化硅陶瓷。本發(fā)明采用了邊發(fā)泡邊成型的坯體成型工藝，能夠使最終制備的多孔氮化硅陶瓷在具有高孔隙率的同時具有構件所需的形狀，因此在多孔氮化硅陶瓷燒成后，只需對其進行少量的修補即可，避免了后期復雜的加工工序，節(jié)省了多孔氮化硅陶瓷構件的加工成本。另外，采用該工藝制備的多孔氮化硅陶瓷滿足過濾材料和透波材料對孔隙率和強度的要求。


圖1是本發(fā)明的碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的流程圖；圖2是四個實施例制備的多孔氮化硅陶瓷的微結構照片；圖3是四個實施例制備的多孔氮化硅陶瓷的孔徑分布圖。下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式實施例1:本實施例的碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的流程如圖1所示:
按質量百分數計，取粒徑為I微米的氮化硅粉:75%，糊精:20%，氧化釔粉:5%，混合；然后向每100克混合粉中加入20顆直徑8 12毫米的氧化鋁球，干球磨10小時。在5 10°C的溫度下，按每100克純凈水加入15克碳酸氫銨的比例配制出碳酸氫銨溶液，然后以每100克混合粉體中加入120毫升碳酸氫銨溶液，濕球磨5分鐘，制成漿料。將漿料倒入具有所需形狀的氧化鋁模具中，然后將模具放入密閉容器中并通入氣體加壓，利用安裝在容器上的壓力閥控制容器中氣體的壓力為0.2MPa。利用容器上的溫度控制器調節(jié)容器中氣體的溫度，先升溫至60°C保溫2小時，然后升溫至90°C保溫10小時，期間容器的壓力一直保持在0.2MPa。發(fā)泡完畢后，調節(jié)容器上的壓力閥，讓容器以每分鐘0.02MPa的速度泄壓。泄壓完畢后將陶瓷坯體取出，放入高溫燒結爐中，通入0.4MPa的氮氣，升溫至1680°C燒結2小時，制成多孔氮化硅陶瓷(圖2 (D)0在室溫環(huán)境下測試，測試結果參見下表I和圖3，該多孔氮化硅陶瓷的孔隙率為66%，密度為1.37 ± 0.02g/cm3、平均孔徑為4.0 μ m，抗彎強度為31 土 16MPa、斷裂韌性為0.5±0.2MPa.m1/2。實施例2:本實施例的碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的流程如圖1所示:按質量百分數計，取粒徑為0.6微米的氮化硅粉:80%，糊精:15%，氧化釔粉:5%，混合，然后按每100克混合粉中加入15顆直徑8 12毫米的氧化鋁球，干球磨20小時。在5 10°C的溫度下，按每100克純凈水加入15克碳酸氫銨的比例配制出碳酸氫銨溶液，然后以每100克混合粉體中加入100毫升碳酸氫銨溶液，濕球磨10分鐘，制成漿料。將漿料倒入具有所需形狀的氧化鋁模具中，然后將模具放入密閉容器中并通入氣體加壓，利用安裝在容器上的壓力閥控制容器中氣體的壓力為0.3MPa。利用容器上的溫度控制器調節(jié)容器中氣體的溫度，先升溫至50°C保溫2小時，然后升溫至90°C保溫10小時，期間容器的壓力一直保持在0. 3MPa。發(fā)泡完畢后，調節(jié)容器上的壓力閥，讓容器以每分鐘0.03MPa的速度泄壓。泄壓完畢后將陶瓷坯體取出，放入高溫燒結爐中，通入0.2MPa的氮氣，升溫至1700°C燒結2小時，制成多孔氮化硅陶瓷(圖2 (2))。在室溫環(huán)境下測試，測試結果參見下表I和圖3，該多孔氮化硅陶瓷的孔隙率為58%，密度為1.37±0.02g/cm3、平均孔徑為3.0 μ m，抗彎強度為116± 15MPa、斷裂韌性為
2.1±0.2MPa.m1/2。實施例3:本實施例的碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的流程如圖1所示:按質量百分數計，取粒徑為2微米的氮化硅粉:82%，糊精:10%,氧化釔粉:8%，混合，然后按每100克混合粉中加入25顆直徑8 12毫米的氧化鋁球，干球磨15小時。在5 10°C的溫度下，按每100克純凈水加入20克碳酸氫銨的比例配制出碳酸氫銨溶液，然后以每100克混合粉體中加入80毫升碳酸氫銨溶液，濕球磨10分鐘，制成漿料。將漿料倒入具有所需形狀的氧化鋁模具中，然后將模具放入密閉容器中并通入氣體加壓，利用安裝在容器上的壓力閥控制容器中氣體的壓力為0.4MPa。利用容器上的溫度控制器調節(jié)容器中氣體的溫度，先升溫至70°C保溫I小時，然后升溫至95°C保溫8小時，期間容器的壓力一直保持在0.4MPa。發(fā)泡完畢后，調節(jié)容器上的壓力閥，讓容器以每分鐘
0.04MPa的速度泄壓。泄壓完畢后將陶瓷坯體取出，放入高溫燒結爐中，通入0.3MPa的氮氣，升溫至1650°C燒結3小時，制成多孔氮化硅陶瓷(圖2 (3))。在室溫環(huán)境下測試，測試結果參見下表I和圖3，該多孔氮化硅陶瓷的孔隙率為52%，密度為1.69±0.01g/cm3、平均孔徑為2.0 μ m，抗彎強度為116± 15MPa、斷裂韌性為
2.1±0.1MPa.m1/2。實施例4:本實施例的碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的流程如圖1所示:按質量百分數計，取粒徑為I微米的氮化硅粉:82%，糊精:10%,氧化釔粉:8%，混合，然后按每100克混合粉中加入20顆直徑8 12毫米的氧化鋁球，干球磨10小時。在5 10°C的溫度下，按每100克純凈水加入15克碳酸氫銨的比例配制出碳酸氫銨溶液，然后以每100克混合粉體中加入100毫升碳酸氫銨溶液，濕球磨5分鐘，制成漿料。將漿料倒入具有所需形狀的氧化鋁模具中，然后將模具放入密閉容器中并通入氣體加壓，利用安裝在容器上的壓力閥控制容器中氣體的壓力為0.5MPa。利用容器上的溫度控制器調節(jié)容器中氣體的溫度，先升溫至60°C保溫2小時，然后升溫至100°C保溫5小時，期間容器的壓力一直保持在0.5MPa。發(fā)泡完畢后，調節(jié)容器上的壓力閥，讓容器以每分鐘
0.02MPa的速度泄壓。泄壓完畢后將陶瓷坯體取出，放入高溫燒結爐中，通入0.3MPa的氮氣，升溫至1680°C燒結2小時，制成多孔氮化硅陶瓷(圖2 (4))。在室溫環(huán)境下測試，測試結果參見下表I和圖3，該多孔氮化硅陶瓷的孔隙率為47%，密度為1.75 + 0.02g/cm3、平均孔徑為1.0y m，抗彎強度為178± 13MPa、斷裂韌性為
2.9±0.1MPa.m1/2。 表1:
權利要求
1.一種碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的方法，其特征在于包括下述步驟: Ca)將粒徑為0.6^2微米的氮化硅粉、糊精和氧化釔粉混合制成混合粉料，其中糊精占混合粉料質量的10-20%，氧化釔占混合粉料質量的5 8%，其余為氮化硅粉；將混合粉體倒入球磨罐中，按每100克混合粉體加入15 25顆直徑為8 12毫米的氧化鋁球，干球磨10-20小時，然后冷卻至5 10°C ； (b)在5 10°C的溫度下，按每100克純凈水加入15 20克碳酸氫銨的比例配制出碳酸氫銨溶液；按每100克混合粉體加入80-120毫升碳酸氫銨溶液的比例，將碳酸氫銨溶液倒入經干球磨混制的混合粉體中，濕球磨5 10分鐘，得到漿料； (c)在5 10℃的溫度下，將漿料倒入具有所需形狀的氧化鋁模具中，然后將模具放入密閉的容器中，并向容器中通入氣體加壓，利用容器上的恒壓閥將容器的壓力控制在.0.2MPa^0.5MPa ;利用容器上的溫度控制器對容器的溫度進行調節(jié)，先升溫至50°C 70°C，保溫1- 2小時，然后升溫至90°C 100°C，保溫5 10小時，期間容器的壓力保持恒定； Cd)調節(jié)容器的恒壓閥，讓容器緩慢泄壓，泄壓速度控制在每分鐘0.02MPa^0.05MPa,泄壓完畢后將陶瓷坯體取出，放入高溫燒結爐中，通入0.24MPa^0.4MPa的氮氣，升溫至16500℃ 1700°C燒結2 4小時，即可得到多孔氮化硅陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳酸氫銨發(fā)泡法制備多孔氮化硅陶瓷的方法，將氮化硅粉、糊精和氧化釔粉按比例混合干球磨，將配制好的碳酸氫銨溶液按比例加入濕球磨，制成陶瓷漿料；然后將陶瓷漿料倒入氧化鋁模具中，將氧化鋁模具放入密閉容器中，控制容器的壓力和溫度，使模具中的陶瓷漿料邊發(fā)泡邊成型，制成多孔氮化硅陶瓷坯體；最后將多孔氧化鋁陶瓷坯體放入高溫燒結爐中進行燒結，制備出具有不同孔隙率的多孔氮化硅陶瓷。該方法能夠根據實際需要制備出具有所需形狀的多孔氮化硅陶瓷構件，提高了多孔氮化硅陶瓷構件的制備效率，并降低了其制備成本。
文檔編號C04B38/06GK103102172SQ20131003187
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權日2013年1月28日
發(fā)明者李向明, 朱德蘭, 吳普特 申請人:西北農林科技大學