專利名稱：一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法，屬于泡沫陶瓷技術領域。
背景技術：
泡沫陶瓷是繼多孔陶瓷、蜂窩陶瓷之后發展起來的第三代多孔陶瓷，是一種具有三維立體網絡狀骨架和相互連通或閉合氣孔結構的多孔陶瓷制品。泡沫陶瓷除具有耐高溫、耐腐蝕等優異性能外，還具有密度低(0.25 0.65g/cm3)、氣孔率高(60% 90% )、比表面積大(10m2/g)和對流體自擾性強等特點，可作為高性能綠色環保材料，在凈化分離、化工催化劑載體、高級保溫材料和傳感器材料等方面獲得廣泛應用，已引起材料科學家們的聞度關注。泡沫陶瓷的制備方法主要有有機前驅體浸潰法、添加造孔劑法、直接起泡法和溶膠-凝膠法。與其它方法相比，直接起泡法更易于控制產品的形狀、成分和密度。直接起泡法以泡沫作為中間體，通過改變發泡劑的種類和用量可制備出不同孔徑和孔隙率的泡沫陶瓷。在所有關于泡沫的應用研究中，泡沫的熱力學不穩定性都是一個關鍵的因素。采用直接起泡法制備多孔陶瓷，首先必須提高泡沫穩定性，獲得具有一定穩定性的陶瓷泡沫。美國的Ultramet公司，利用有機體的泡沫骨架，用CVD/CVI法將泡沫陶瓷料漿噴涂在骨架上，獲得了高密度的陶瓷產品，大大提高了產品的機械性能。1978年，由美國的Mollard FR和Davidson N等人利用氧化鋁、高嶺土之類的陶瓷漿料成功地研制出泡沫陶瓷，之后英、日、德、瑞士等國競相開展了研究。中國從80年代才開始研究泡沫陶瓷的研究，近20多年來已先后有十幾家科研機構，但是目前還未形成生產規模，尚處于開發階段。目前關于氮化硅泡沫陶瓷研究較少，Tuyen等通過氣壓反應燒結的方法制備氮化硅泡沫陶瓷，泡沫陶瓷中孔尺寸為300 μ m，沒有強度的相關報道。賈德昌等通過添加造孔劑的方法制備氮化硅泡沫陶瓷，所`得泡沫陶瓷氣孔率為67.4-62.0%，對應的抗彎強度為21 39MPa，孔徑為200μπι。山東大學耿浩然、聊城大學蒲錫鵬以及寧波兵器科學研究院的張武等通過有機泡沫浸潰工藝制備氮化硅泡沫陶瓷，其中在漿料配置過程中，以硅溶膠作為粘結劑，羧甲基纖維素(CMC)作為漿料流變調節劑來改善泡沫漿料性能，所制備的氮化硅泡沫陶瓷孔徑較大(> 200 μ m)、強度低，氣孔分布均勻性和孔徑難以控制。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術不足，提供一種泡沫穩定性好、力學性能優異、泡沫氣孔分布均勻、泡沫孔徑較小的制備氮化硅泡沫陶瓷的方法。本發明的技術解決方案:一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法，通過以下步驟實現:第一步，配料，在質量為X的氮化硅粉體中加入(3% 10% )X的燒結助劑、(0.5% 1.5% )X的分散劑、(10% 20% )X的溶液濃度為2% 4%的羧甲基纖維素水溶液和(1% 4% )X的起泡劑，得到氮化娃粉料混合物；
羧甲基纖維素用量超出上述要求的范圍，其改善氮化硅泡沫陶瓷性能的效果不佳，在上述要求范圍內，羧甲基纖維素用量越多，起泡率越低，泡沫粘彈性、穩定性越好，力學性能較高。氮化硅粉體平均粒徑為1.0 μ m，α相含量> 94%。燒結助劑可采用Y2O3-La2O3體系或Y2O3-Al2O3體系，也采用其他的燒結助劑體系，如Yb2O3-Al2O3體系或Sm2O3-Al2O3體系，優選Y2O3-Al2O3體系，兩者的質量比為Y2O3: Al2O3 = I 2.5: 1，優選2: I ;起泡劑可采用曲拉通-114(TritonX-114)、戊酸(VA)或沒食子酸正丙酯(PG)等用于發泡氮化硅的起泡劑，優選短鏈兩親分子沒食子酸正丙酯；分散劑可采用聚丙烯酸銨、磷酸三乙酯、Al(OH)3及檸檬酸銨等；羧甲基纖維素(CMC)水溶液為粘結劑。第二步，在第一步得到的氮化硅粉料混合物中按氮化硅粉料混合物總質量的100% 200%加入去離子水得到混料；第三步，調節第二步得到混料的pH值，調節后的混料pH值為9 11，將混料球磨后得到漿料；漿料pH值必須在9 11范圍內，制備的漿料性能最佳。第四步，發泡成型固化得到氮化硅泡沫陶瓷坯體，將經第三步球磨后的漿料加入適量引發劑和催化劑攪拌發泡，注模、固化成型后進行干燥和排膠得到氮化硅泡沫陶瓷坯體；引發劑可采用過硫酸銨((NH4)2S2O8)或過硫酸鉀，但不限于此，催化劑可采用N，N，N’，N’，-四甲基乙二胺C6H16N2，但不限于此。干燥是將制備過程中加入 的水分去除，可采用的干燥方式為空氣中自然干燥后再在烘箱中干燥；排膠是為了燒除有機物，排膠可采用在空氣爐中進行。第五步，燒結，將第四步排膠后的氮化硅泡沫陶瓷坯體在氮氣氣氛下進行常壓燒結，得到氮化硅泡沫陶瓷。第五步燒結優選方案為分階段進行:800°C以下升溫速率為15土1°C /min，氣氛為真空，800°C以上升溫速率為10±1°C /min升至燒結溫度，燒結溫度為1600°C 1850°C，氣氛為氮氣，保溫1.5 3h。燒結溫度越高其力學性能越好、燒結體更致密、但可能對氣孔率有影響。本發明與現有技術相比的有益效果:(I)本發明采用羧甲基纖維素水溶液作為粘結劑，使泡沫體系表面張力降低、漿料粘彈性增加、泡沫漿料的流動性和穩定性得到改善、泡沫干燥過程中收縮小、成品率高，泡沫孔徑較小，進而使燒結體力學性能優異、泡沫氣孔分布均勻；(2)本發明通過直接機械攪拌起泡技術，制備氮化硅泡沫陶瓷，泡沫穩定性好，力學性能優異(等氣孔率下，本發明制備氮化硅泡沫陶瓷的抗彎強度高出其他現有技術制備的氮化硅泡沫陶瓷10 30% )，氮化硅泡沫陶瓷氣孔率> 60% ；(3)本發明制備工藝在泡沫體干燥過程收縮較小，表面結構均勻，制備的氮化硅泡沫陶瓷結構均勻、孔徑較小、平均孔徑為20 μ m左右，均勻分布的孔結構能夠有效改善氮化硅泡沫陶瓷的力學性能。
圖1為本發明制備流程圖；圖2為實施例1制備的氮化硅泡沫陶瓷燒結體微觀形貌圖；圖3為實施例1制備的氮化硅泡沫陶瓷孔徑分布圖；其中橫坐標為孔徑，縱坐標(左側)為累積孔體積，縱坐標(右側)為微分孔體積。
具體實施例方式以下結合圖1及具體實例對本發明進行詳細說明。實施例1稱取40g氮化硅粉，加入2.4g燒結助劑(0.8g氧化鋁和1.6g氧化釔)、0.4g的分散劑、6g羧甲基纖維素(CMC)溶液(羧甲基纖維素(CMC)水溶液濃度為4% )和0.8g的起泡劑，加入60g去離子水形成混料，利用濃氨水調節混料pH值為10，球磨12h后制得漿料；球磨后的漿料繼續高速攪拌20min發泡，加入適量引發劑以及催化劑，攪拌5min，注模、固化成型，接著將坯體干燥(空氣中)和排膠(燒除有機物)；排膠后的坯體在氮氣氣氛下(常壓)燒結，燒結過程分階段進行:800°C以下升溫速率為15°C /min，氣氛為真空；800°C以上升溫速率為10°C /min升至燒結溫度，燒結溫度為1750°C，氣氛為氮氣；保溫1.5h。
制備得到的氮化硅泡沫陶瓷，經過測試(采用S-2700型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品表面和斷口形貌；利用WDW3020型電子萬能試驗機，采用三點彎曲法測定樣品的抗彎強度；利用Autoscan33型壓萊儀測定樣品的孔徑分布；采用Archimedes排水法測定泡沫陶瓷的氣孔率，下同)，試驗中，其性能見表I。表I
權利要求
1.一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法，其特征在于通過以下步驟實現: 第一步，配料， 在質量為X的氮化硅粉體中加入(3% 10% )X的燒結助劑、(0.5% 1.5% )X的分散齊U、(10% 20%) X的溶液濃度為2% 4%的羧甲基纖維素水溶液以及的起泡劑，得到氮化硅粉料混合物； 第二步，在第一步得到的氮化硅粉料混合物中按氮化硅粉料混合物總質量的100 % 200%加入去離子水得到混料； 第三步，調節第二步得到混料的PH值，調節后的混料pH值為9 11，將混料球磨后得到漿料； 第四步，發泡成型固化得到氮化硅泡沫陶瓷坯體； 第五步，燒結， 將第四步排膠后的氮化硅泡沫陶瓷坯體在氮氣氣氛下進行常壓燒結，得到氮化硅泡沫陶瓷。
2.根據權利要求1所述的一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法，其特征在于:所述第五步燒結過程分階段進行:800°C以下升溫速率為15±1°C /min，氣氛為真空，800°C以上升溫速率為10土 1°C/min升至燒結溫度，燒結溫度為1600°C 1850°C，氣氛為氮氣，保溫1.5 3h。
3.根據權利要求1所述的一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法，其特征在于:所述第一步中氮化娃粉體平均粒徑為Ι.Ομηι, α相含量> 94%。
4.根據權利要求1 所述的一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法，其特征在于:所述第一步中起泡劑為短鏈兩親分子沒食子酸正丙酯。
5.根據權利要求1所述的一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法，其特征在于:所述第一步中燒結助劑為Y2O3-Al2O3體系，兩者的質量比為Y2O3: Al2O3 = I 2.5: I。
全文摘要
本發明提出一種制備氮化硅泡沫陶瓷的方法，通過配料、混料、調節pH值、發泡成型固化、燒結等步驟得到氮化硅泡沫陶瓷。本發明采用羧甲基纖維素水溶液作為粘結劑，使泡沫體系表面張力降低、漿料粘彈性增加、泡沫漿料的流動性和穩定性得到改善、泡沫干燥過程中收縮小、成品率高，泡沫穩定性好、泡沫孔徑較小，進而使燒結體力學性能優異、泡沫氣孔分布均勻；本發明通過直接機械攪拌起泡技術，制備氮化硅泡沫陶瓷，泡沫穩定性好，力學性能優異(等氣孔率下，本發明制備氮化硅泡沫陶瓷的抗彎強度高出其他現有技術制備的氮化硅泡沫陶瓷10～30％)，氮化硅泡沫陶瓷氣孔率＞60％。
文檔編號C04B35/622GK103224405SQ20121044184
公開日2013年7月31日 申請日期2012年11月8日 優先權日2012年11月8日
發明者余娟麗, 楊金龍, 呂毅, 張天翔, 趙英民, 曾慶川, 王濤, 渾丙利, 余悠然 申請人:航天特種材料及工藝技術研究所