本發(fā)明屬于多孔氮化硅陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。

背景技術(shù)：

多孔氮化硅陶瓷是一種將氮化硅陶瓷的性能特征與多孔材料的結(jié)構(gòu)特征相結(jié)合的高級耐火材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、冶金等領(lǐng)域。目前多孔氮化硅陶瓷的制備方法主要有添加造孔劑法、冷凍干燥法、溶膠-凝膠法和碳熱還原法等。

這些方法得到的多孔氮化硅陶瓷的氣孔大小不均一和氣孔分布不均勻，并且在反應(yīng)過程中主要是通過氮?dú)馀c硅粉直接接觸發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅，使得多孔氮化硅陶瓷內(nèi)部的硅粉無法與氮?dú)獬浞纸佑|，不僅降低了硅粉的利用率，殘存的硅粉還會與氮化硅形成結(jié)構(gòu)缺陷，影響產(chǎn)品的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，目的是提供一種工藝簡單、成本低廉、原料利用率高和過程易于控制的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷制備方法，用該方法制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷氣孔大小均一、氣孔分布均勻和機(jī)械強(qiáng)度高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案的具體步驟是：

步驟一、以70~80wt%的硅粉、5~10wt%的催化劑和10~20wt%的氮源為原料，外加所述原料20~30wt%的去離子水，攪拌30~60min，得到陶瓷漿料。

步驟二、在攪拌條件下，向所述陶瓷漿料加入所述原料10~20wt%的發(fā)泡劑制成的泡沫，所述泡沫加入完畢，再持續(xù)攪拌30~60min，得到陶瓷泡沫漿料；所述泡沫中發(fā)泡劑和去離子水的質(zhì)量比為1∶（10~15）。

步驟三、將所述陶瓷泡沫漿料倒入模具中，在室溫條件和氮?dú)猸h(huán)境中靜置1~48h；然后在60~110℃條件下干燥12~24h，脫模，得到陶瓷坯體。

步驟四、將所述陶瓷坯體置于真空管式爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥諚l件下，先以5~10℃/min的速率升溫至1100~1150℃，保溫1~2h；再以1~4℃/min的速率升溫至1200~1600℃，保溫3~6h；然后自然冷卻至室溫，即得納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷。

所述硅粉的純度為85~99.9wt%；硅粉粒度為1~200μm。

所述催化劑為鐵粉、鈷粉、鎳粉中的一種，純度為99wt%以上；所述催化劑粒度為2~100μm。

所述氮源為疊氮化鈉和氯化銨中的一種以上；所述氮源的純度為99.0~99.9wt%。

所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素中的一種以上。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：

本發(fā)明以硅粉、催化劑和氮源為原料，成本低廉；其制備工藝是在原料中加入泡沫，攪拌，澆注成型，干燥，脫模，高溫?zé)?，即得納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷，工藝簡單和過程易于控制。

本發(fā)明采用發(fā)泡法將泡沫引入陶瓷漿料中，干燥后得到具有多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷坯體；外部通入的氮?dú)馀c陶瓷坯體表面的硅粉接觸發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅，同時(shí)外部通入的氮?dú)馔ㄟ^氣孔進(jìn)入坯體內(nèi)部與硅粉發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅。氮源在高溫下分解產(chǎn)生氮?dú)猓固沾膳黧w內(nèi)部的氮?dú)鉂舛忍岣?，促進(jìn)氮?dú)馀c硅粉的接觸，提高硅粉氮化率同時(shí)促進(jìn)氮化硅形成，原料利用率高。燒成后的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷物相均為Si₃N₄，無硅粉殘留。

另外，催化劑與硅粉形成活性中心，使氮?dú)馀c硅粉能在較低的熱處理溫度下發(fā)生反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，催化劑與硅粉形成小液滴，硅蒸氣和氮?dú)馊芙庠谝旱沃小ｋS著氮化硅晶粒的生長，少量的含催化劑小液滴將被不斷推動并最終產(chǎn)生氮化硅納米線。熱處理過程中不生成有害物質(zhì)，節(jié)能環(huán)保。原位生成的氮化硅納米線起橋連作用，提升了納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度。納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷內(nèi)部氣孔由氮化硅納米線連接。燒成后得到的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷氣孔大小均一，氣孔分布均勻，抗折強(qiáng)度為20~30MPa，耐壓強(qiáng)度為50~70MPa。

因此，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低廉、原料利用率高和過程易于控制的特點(diǎn)，所制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷氣孔大小均一、氣孔分布均勻和機(jī)械強(qiáng)度高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷的XRD圖譜；

圖2為圖1所示納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷SEM圖。

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，并非對其保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例中所述原料及試劑均市售可得。

為避免重復(fù)，先將本具體實(shí)施方式的原料統(tǒng)一描述如下，實(shí)施例中不再贅述：

所述硅粉的純度為85~99.9wt%；硅粉粒度為1~200μm。

所述催化劑的純度為99wt%以上；所述催化劑粒度為2~100μm。

所述氮源的純度為99.0~99.9wt%。

實(shí)施例1

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例所述制備方法的步驟是：

步驟一、以70~76wt%的硅粉、5~10wt%的催化劑和14~20wt%的氮源為原料，外加所述原料20~26wt%的去離子水，攪拌30~60min，得到陶瓷漿料。

步驟二、在攪拌條件下，向所述陶瓷漿料加入所述原料10~16wt%的發(fā)泡劑制成的泡沫，所述泡沫加入完畢，再持續(xù)攪拌30~60min，得到陶瓷泡沫漿料；所述泡沫中發(fā)泡劑和去離子水的質(zhì)量比為1∶（10~13）。

步驟三、將所述陶瓷泡沫漿料倒入模具中，在室溫條件和氮?dú)猸h(huán)境中靜置1~24h；然后在60~110℃條件下干燥12~24h，脫模，得到陶瓷坯體。

步驟四、將所述陶瓷坯體置于真空管式爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥諚l件下，先以5~10℃/min的速率升溫至1100~1150℃，保溫1~2h；再以1~4℃/min的速率升溫至1200~1400℃，保溫3~6h；然后自然冷卻至室溫，即得納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷。

所述催化劑為鐵粉。

所述氮源為疊氮化鈉。

所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為20~26MPa；耐壓強(qiáng)度為50~60MPa。

實(shí)施例2

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例1。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯醚的混合物。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為20~26MPa；耐壓強(qiáng)度為50~60MPa。

實(shí)施例3

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例1。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為脂肪醇聚氧乙烯醚、羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素的混合物。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為20~26MPa；耐壓強(qiáng)度為50~60MPa。

實(shí)施例4

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例所述制備方法的步驟是：

步驟一、以72~78wt%的硅粉、5~10wt%的催化劑和12~18wt%的氮源為原料，外加所述原料22~28wt%的去離子水，攪拌30~60min，得到陶瓷漿料。

步驟二、在攪拌條件下，向所述陶瓷漿料加入所述原料12~18wt%的發(fā)泡劑制成的泡沫，所述泡沫加入完畢，再持續(xù)攪拌30~60min，得到陶瓷泡沫漿料；所述泡沫中發(fā)泡劑和去離子水的質(zhì)量比為1∶（11~14）。

步驟三、將所述陶瓷泡沫漿料倒入模具中，在室溫條件和氮?dú)猸h(huán)境中靜置12~36h；然后在60~110℃條件下干燥12~24h，脫模，得到陶瓷坯體。

步驟四、將所述陶瓷坯體置于真空管式爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥諚l件下，先以5~10℃/min的速率升溫至1100~1150℃，保溫1~2h；再以1~4℃/min的速率升溫至1300~1500℃，保溫3~6h；然后自然冷卻至室溫，即得納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷。

所述催化劑為鈷粉。

所述氮源為氯化銨。

所述發(fā)泡劑為脂肪醇聚氧乙烯醚。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為26~30MPa；耐壓強(qiáng)度為60~70MPa。

實(shí)施例5

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例4。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為脂肪醇聚氧乙烯醚和羥甲基纖維素鈉的混合物。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為26~30MPa；耐壓強(qiáng)度為60~70MPa。

實(shí)施例6

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例4。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚、羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素的混合物。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為26~30MPa；耐壓強(qiáng)度為60~70MPa。

實(shí)施例7

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例所述制備方法的步驟是：

步驟一、以74~80wt%的硅粉、5~10wt%的催化劑和10~16wt%的氮源為原料，外加所述原料24~30wt%的去離子水，攪拌30~60min，得到陶瓷漿料。

步驟二、在攪拌條件下，向所述陶瓷漿料加入所述原料14~20wt%的發(fā)泡劑制成的泡沫，所述泡沫加入完畢，再持續(xù)攪拌30~60min，得到陶瓷泡沫漿料；所述泡沫中發(fā)泡劑和去離子水的質(zhì)量比為1∶（12~15）。

步驟三、將所述陶瓷泡沫漿料倒入模具中，在室溫條件和氮?dú)猸h(huán)境中靜置24~48h；然后在60~110℃條件下干燥12~24h，脫模，得到陶瓷坯體。

步驟四、將所述陶瓷坯體置于真空管式爐內(nèi)，在氮?dú)鈿夥諚l件下，先以5~10℃/min的速率升溫至1100~1150℃，保溫1~2h；再以1~4℃/min的速率升溫至1400~1600℃，保溫3~6h；然后自然冷卻至室溫，即得納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷。

所述催化劑為鎳粉。

所述氮源為疊氮化鈉和氯化銨的混合物。

所述發(fā)泡劑為羥甲基纖維素鈉或?yàn)榱u乙基纖維素。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為24~28MPa；耐壓強(qiáng)度為55~65MPa。

實(shí)施例8

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例7。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素的混合物。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為24~28MPa；耐壓強(qiáng)度為55~65MPa。

實(shí)施例9

一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷及其制備方法。本實(shí)施例除發(fā)泡劑外，其余同實(shí)施例7。

本實(shí)施例所述發(fā)泡劑為烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素的混合物。

本實(shí)施例制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷經(jīng)檢測：抗折強(qiáng)度為24~28MPa；耐壓強(qiáng)度為55~65MPa。

本具體實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下積極效果：

本具體實(shí)施方式以硅粉、催化劑和氮源為原料，成本低廉；其制備工藝是在原料中加入泡沫，攪拌，澆注成型，干燥，脫模，高溫?zé)?，即得納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷，工藝簡單和過程易于控制。

本具體實(shí)施方式采用發(fā)泡法將泡沫引入陶瓷漿料中，干燥后得到具有多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷坯體；外部通入的氮?dú)馀c陶瓷坯體表面的硅粉接觸發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅，同時(shí)外部通入的氮?dú)馔ㄟ^氣孔進(jìn)入坯體內(nèi)部與硅粉發(fā)生反應(yīng)生成氮化硅。氮源在高溫下分解產(chǎn)生氮?dú)?，使陶瓷坯體內(nèi)部的氮?dú)鉂舛忍岣?，促進(jìn)氮?dú)馀c硅粉的接觸，提高硅粉氮化率同時(shí)促進(jìn)氮化硅形成。圖1為實(shí)施例1制備的一種納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷的XRD圖譜，由圖1可知，燒成后的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷物相均為Si₃N₄，無硅粉殘留。

另外，催化劑與硅粉形成活性中心，使氮?dú)馀c硅粉能在較低的熱處理溫度下發(fā)生反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，催化劑與硅粉形成小液滴，硅蒸氣和氮?dú)馊芙庠谝旱沃?。隨著氮化硅晶粒的生長，少量的含催化劑小液滴將被不斷推動并最終產(chǎn)生氮化硅納米線。熱處理過程中不生成有害物質(zhì)，節(jié)能環(huán)保。原位生成的氮化硅納米線起橋連作用，提升了納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度。圖2為圖1所示納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷SEM圖，由圖2可知，納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷內(nèi)部氣孔由氮化硅納米線連接。燒成后得到的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷氣孔大小均一，氣孔分布均勻，抗折強(qiáng)度為20~30MPa，耐壓強(qiáng)度為50~70MPa。

因此，本具體實(shí)施方式具有工藝簡單、成本低廉、原料利用率高和過程易于控制的特點(diǎn)，所制備的納米線自增強(qiáng)多孔氮化硅陶瓷氣孔大小均一、氣孔分布均勻和機(jī)械強(qiáng)度高。