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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
多孔氮化硅陶瓷是一種極具潛力的高溫過(guò)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(shí)具有較高的強(qiáng)度。文獻(xiàn)“Microstructure and properties of porous Si3N4ceramics with adensesurface.1nt.J.App1.Ceram.Technol.,8 (2011), N0.627 - 636” 公開(kāi)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(jié)助劑，加入5^35%的酚醛樹(shù)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?dú)獗Ｗo(hù)下1800°C燒結(jié)2小時(shí)，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(qiáng)度為143MPa 207MPa，孔隙率為46 53%，全部為開(kāi)氣孔。該多孔氮化硅陶瓷滿足過(guò)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(jiǎn)單的構(gòu)件。若要采用該方法制備形狀復(fù)雜的構(gòu)件，必須先燒結(jié)出尺寸較大的陶瓷，然后再根據(jù)構(gòu)件的形狀進(jìn)行相應(yīng)的磨削加工。這樣做一方面會(huì)造成很大的浪費(fèi)，另一方面會(huì)增加構(gòu)件的制造成本。文獻(xiàn)“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(kāi)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(jié)助劑，加入10%的糊精作為造孔劑，然后根據(jù)構(gòu)件的形狀，采用三維打印技術(shù)打印出相應(yīng)形狀的坯體，最后在0.3MPa的氮?dú)獗Ｗo(hù)下1800°C燒結(jié)0.5^2小時(shí)，制備出孔隙率高達(dá)68 76%的多孔氮化硅陶瓷。三維打印技術(shù)可以成型形狀復(fù)雜的多孔氮化硅陶瓷構(gòu)件，但采用該技術(shù)制備的多孔氮化硅陶瓷的強(qiáng)度僅有6MPa 13MPa，根本無(wú)法使用。為了提高該多孔氮化硅陶瓷的強(qiáng)度，文獻(xiàn)中利用了化學(xué)氣相沉積工藝將該多孔氮化硅陶瓷的強(qiáng)度提高至61MPa 95MPa，此時(shí)的多孔氮化硅陶瓷仍具有61飛4%的孔隙率，滿足過(guò)濾材料和透波材料的性能要求，而且化學(xué)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(fù)雜，且化學(xué)氣相沉積工藝昂貴的價(jià)格大大增加了多孔氮化硅陶瓷構(gòu)件的制造成本。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服傳統(tǒng)冷壓工藝難以制備形狀復(fù)雜的多孔氮化硅陶瓷構(gòu)件，以及其它一些工藝制備多孔氮化硅陶瓷構(gòu)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(fù)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(guò)調(diào)節(jié)發(fā)泡壓力，控制發(fā)泡溫度，可得到具有復(fù)雜形狀的陶瓷坯體，最后采用無(wú)壓燒結(jié)工藝將該陶瓷坯體燒結(jié)，可制備出具有復(fù)雜形狀的多孔氮化硅陶瓷構(gòu)件。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用以下的技術(shù)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，糊精占混合粉料質(zhì)量的1(Γ20%，氧化釔占混合粉料質(zhì)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(shí)，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(duì)容器的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，先升溫至5(T70°C，保溫Γ2小時(shí)，然后升溫至9(T10(TC，保溫5 10小時(shí)，期間容器的壓力保持恒定；

(d)陶瓷坯體燒結(jié)調(diào)節(jié)容器的恒壓閥，讓容器緩慢泄壓，為避免在泄壓過(guò)程中陶瓷坯體內(nèi)部氣體膨脹過(guò)快使坯體開(kāi)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?zé)Y(jié)爐中，通入0.2MPa 0.4MPa的氮?dú)?，升溫?65(Tl700°C燒結(jié)2 4小時(shí)，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(shí)具有構(gòu)件所需的形狀，因此在多孔氮化硅陶瓷燒成后，只需對(duì)其進(jìn)行少量的修補(bǔ)即可，避免了后期復(fù)雜的加工工序，節(jié)省了多孔氮化硅陶瓷構(gòu)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(guò)濾材料和透波材料對(duì)孔隙率和強(qiáng)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(gè)實(shí)施例制備的多孔氮化硅陶瓷的微結(jié)構(gòu)照片；圖3是四個(gè)實(shí)施例制備的多孔氮化硅陶瓷的孔徑分布圖。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:本實(shí)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，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(shí)。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(diào)節(jié)容器中氣體的溫度，先升溫至60°C保溫2小時(shí)，然后升溫至90°C保溫10小時(shí)，期間容器的壓力一直保持在0.2MPa。發(fā)泡完畢后，調(diào)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?zé)Y(jié)爐中，通入0.4MPa的氮?dú)?，升溫?680°C燒結(jié)2小時(shí)，制成多孔氮化硅陶瓷(圖2 (D)0在室溫環(huán)境下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)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(qiáng)度為31 土 16MPa、斷裂韌性為0.5±0.2MPa.m1/2。實(shí)施例2:本實(shí)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，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(shí)。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(diào)節(jié)容器中氣體的溫度，先升溫至50°C保溫2小時(shí)，然后升溫至90°C保溫10小時(shí)，期間容器的壓力一直保持在0. 3MPa。發(fā)泡完畢后，調(diào)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?zé)Y(jié)爐中，通入0.2MPa的氮?dú)?，升溫?700°C燒結(jié)2小時(shí)，制成多孔氮化硅陶瓷(圖2 (2))。在室溫環(huán)境下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)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(qiáng)度為116± 15MPa、斷裂韌性為
2.1±0.2MPa.m1/2。實(shí)施例3:本實(shí)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，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(shí)。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(diào)節(jié)容器中氣體的溫度，先升溫至70°C保溫I小時(shí)，然后升溫至95°C保溫8小時(shí)，期間容器的壓力一直保持在0.4MPa。發(fā)泡完畢后，調(diào)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?zé)Y(jié)爐中，通入0.3MPa的氮?dú)猓郎刂?650°C燒結(jié)3小時(shí)，制成多孔氮化硅陶瓷(圖2 (3))。在室溫環(huán)境下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)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(qiáng)度為116± 15MPa、斷裂韌性為
2.1±0.1MPa.m1/2。實(shí)施例4:本實(shí)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，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(shí)。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(diào)節(jié)容器中氣體的溫度，先升溫至60°C保溫2小時(shí)，然后升溫至100°C保溫5小時(shí)，期間容器的壓力一直保持在0.5MPa。發(fā)泡完畢后，調(diào)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?zé)Y(jié)爐中，通入0.3MPa的氮?dú)?，升溫?680°C燒結(jié)2小時(shí)，制成多孔氮化硅陶瓷(圖2 (4))。在室溫環(huán)境下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)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(qiáng)度為178± 13MPa、斷裂韌性為
2.9±0.1MPa.m1/2。 表1:
權(quán)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(zhì)量的10-20%，氧化釔占混合粉料質(zhì)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(shí)，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(jīng)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(duì)容器的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，先升溫至50°C 70°C，保溫1- 2小時(shí)，然后升溫至90°C 100°C，保溫5 10小時(shí)，期間容器的壓力保持恒定； Cd)調(diào)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?zé)Y(jié)爐中，通入0.24MPa^0.4MPa的氮?dú)猓郎刂?6500℃ 1700°C燒結(jié)2 4小時(shí)，即可得到多孔氮化硅陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，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(jù)實(shí)際需要制備出具有所需形狀的多孔氮化硅陶瓷構(gòu)件，提高了多孔氮化硅陶瓷構(gòu)件的制備效率，并降低了其制備成本。
文檔編號(hào)C04B38/06GK103102172SQ20131003187
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者李向明, 朱德蘭, 吳普特 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)