專利名稱：高孔隙率磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷的制備方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷材料領域，特別是涉及一種高孔隙率磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷的制備方法。
背景技術：
氮化硅多孔陶瓷是在研究氮化硅陶瓷和多孔陶瓷基礎上逐漸發展的一種新型的 “結構-功能” 一體化的陶瓷材料，因其充分發揮氮化硅陶瓷和多孔陶瓷兩者的優異性能而使這種材料具有廣闊的應用前景。氮化硅多孔陶瓷除具有氮化硅陶瓷高比強、高比模、耐高溫、抗氧化、耐磨損和抗熱震等優良性能等優異性能外，還具有下列一些多孔特性(1)耐熱性好，抗熱沖擊；( 化學穩定性好；C3)具有良好的機械強度和剛度，在氣壓、液壓或其它應力負載下，多孔體的孔道形狀和尺寸不發生變化；(4)重量相對于其他材料是較輕的。氮化硅多孔陶瓷作為一種綜合性能優異、前景廣闊的新型多孔材料，其潛在應用可廣泛分布于化工、環保、生物等行業作為過濾、分離、吸音、敏感材料及生物陶瓷等等。此外，在半導體工業、電子、航天航空、和核工業方面也有不少的應用。從目前的研究現狀來看，氮化硅多孔陶瓷的孔隙率、孔徑的調節與控制主要通過改變粉料顆粒配比、料漿濃度、成型密度和燒結工藝來實現。燒成的氮化硅多孔陶瓷的孔隙結構包括由α-氮化硅顆粒通過液相粘接而成的通孔結構和由β-氮化硅柱狀晶相互搭接而成的通孔結構。前者多通過部分燒結法制備，導致材料的孔隙率難以控制，孔隙分布不均勻，孔徑較大，材料的抗彎強度較低，但是材料具有較好的介電性能；后者使得材料的力學性能得到極大的改善，但是孔隙率范圍太窄，孔徑分布無法控制，而且β -氮化硅具有較高的介電常數和介電損耗。自1970年以來，利用磷酸鹽通過化學結合的方法改善陶瓷材料抗彎強度的研究逐漸開展，起初這種方法主要用于制備高性能的生物材料如人造牙齒和人造關節骨等。1987年，科學雜志(《kience》第235卷，第6期，作者Roy D. M.)發表了一篇關于利用磷酸鹽通過化學結合的方法得到力學性能顯著提高的高性能水泥材料的文章，此后，通過化學結合方法改善結構材料力學性能的研究得到了廣泛關注。研究發現金屬氧化物如&02，Al2O3Z, SW2和MgO等與磷酸(H3PO4)在較低溫度即可發生反應，生成磷酸鹽多晶結構，經過高溫煅燒，成為磷酸鹽陶瓷，這種磷酸鹽陶瓷由于具有耐高溫、抗彎強度高、熱膨脹系數小、化學穩定性好等特點，可以用作結合劑增強陶瓷材料基體的力學性能。通過對國內外專利與文獻的查新結果表明還沒有關于高孔隙率磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷制備方面的報道。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是為克服現有技術的缺陷，提供一種比較簡易的方法，在較低的燒結溫度下制備具有優異性能的高孔隙率磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷。本發明解決其技術問題采用以下的技術方案本發明提供的添加造孔劑的磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷的制備方法，其步驟包括(1)先將10 50Vol%造孔劑直接與α -氮化硅粉、氧化物粉以乙醇為球磨介質混合均勻，然后烘干，得到混合粉；(2)將磷酸按照與氧化物粉形成磷酸鹽的化學計量配比加入到上述混合粉中，得到混合料；(3)將混合料采用模壓成型和冷等靜壓處理，得到成型樣品；(4)將成型樣品在500 700°C進行熱處理并保溫2 5小時，使磷酸與氧化物粉反應形成磷酸鹽并起粘結作用，且造孔劑能夠充分排除，得到熱處理后的產物；(5)將熱處理后的產物在800 1200°C氮氣氣氛保護下常壓燒結，控制反應速率為50 200°C /小時和保溫時間2 5小時，即得到所述的氮化硅多孔陶瓷。上述步驟中所述造孔劑、α -氮化硅粉、氧化物粉和乙醇的重量配比可以為(1 5) 6 1 10。所述造孔劑可以采用玉米淀粉、萘粉或碳粉。所述α-氮化硅粉的平均粒徑小于或等于0.5 μ m。所述磷酸鹽主要為磷酸鋯、磷酸鋁、磷酸鉻、磷酸鑭或磷酸硅。所述冷等靜壓成型壓力可以為50 300MPa。本發明制備的氮化硅多孔陶瓷的密度為0. 8 2. Og/cm3。本發明利用磷酸與氧化物在200 500°C反應生成磷酸鹽，生成的磷酸鹽作為粘結劑促進氮化硅顆粒之間的粘結；在400 700°C范圍內，造孔劑揮發或升華形成結構均勻、以開氣孔為主的孔隙結構，從而制備出具有較高孔隙率、較小孔徑、且孔隙分布均勻和較高力學(抗彎)強度的氮化硅多孔陶瓷。本發明工藝簡單、可重復性好、成本低，而且所制備的磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷具有孔隙分布均勻、孔隙率高、孔隙結構均勻可控和力學強度較高等優異特性。
圖1為實施例1、實施例2和實施例3產物的XRD圖。圖2為實施例1產物的SEM圖。圖3為實施例2產物的SEM圖。圖4為實施例3產物的SEM圖。
具體實施例方式本發明提供的是一種利用添加成孔劑方法來制備高孔隙率的磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷材料，該方法包括混料、模壓成型、冷等靜壓處理和燒結工序。本發明具體是按下述步驟方法來制備所述氮化硅多孔陶瓷材料(1)將造孔劑直接與平均粒徑小于0. 5 μ m的α -氮化硅粉、氧化物粉以乙醇為球磨介質混合均勻，造孔劑的含量為10 50vol. % ；(2)將磷酸按照與氧化物形成磷酸鹽的化學計量配比加入到上述混合粉中；(3)模將混合料采用模壓成型和冷等靜壓處理；(4)將成型樣品在500 700°C進行熱處理并保溫2 5小時，使磷酸與氧化物反應形成磷酸鹽并起粘結作用，且造孔劑能夠充分排除；(5)將熱處理后的產物在800 1200°C氮氣氣氛保護下常壓燒結，控制反應速率為50 200°C /小時和保溫時間2 5小時，即得到一種高孔隙率磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷材料。下面結合實施實例對本發明作進一步說明。實施例1 :(1)將淀粉、α-氮化硅、二氧化鋯和乙醇球磨混合，它們的重量配比為 1:6:1: 10;烘干后再將重量濃度為85%的磷酸與上述粉料混合，二氧化鋯和磷酸為化學計量比；( 通過IOMI^a模壓處理使材料預成型，經冷等靜壓處理最終成型；C3)將成型產物在550°C熱處理并保溫2小時，使磷酸與二氧化鋯作用、反應生成磷酸鋯，同時排除玉米淀粉形成孔隙；(4)將熱處理后的產物在1000°C氮氣氣氛保護下常壓燒結，升溫速率為100°C /小時，保溫2小時，隨爐冷卻。可以得到孔隙率為32%、抗彎強度SOMPa的磷酸鋯結合氮化硅多孔陶瓷。分析測試表明(見圖2)產物的主要物相為α-氮化硅，保持了原料的主要物相， 沒有發生相轉變。氧化鋯與磷酸發生了反應，生成了磷酸鋯(ZrP2O7)起粘結作用，玉米淀粉排除較干凈。通過這種方法制備出的磷酸鋯結合氮化硅多孔陶瓷的孔隙分布比較均勻，孔
隙率高。分析測試表明(見圖幻制備出來的氮化硅多孔陶瓷材料孔隙率較高，孔隙分布比較均勻，孔徑尺度較小。實施例2 :(1)將淀粉、α-氮化硅、二氧化鋯、和乙醇球磨混合，它們的重量配比為 2:6:1: 10;烘干后再將重量濃度為85%的磷酸與上述粉料混合，二氧化鋯和磷酸為化學計量比；( 通過IOMPa模壓處理使材料預成型，經冷等靜壓處理最終成型；C3)成型產物在550°C熱處理并保溫2小時，使磷酸與二氧化鋯作用、反應生成磷酸鋯，同時排除玉米淀粉形成孔隙；(4)將熱處理后的產物在1000°C氮氣氣氛保護下常壓燒結，升溫速率為 IOO0C /小時，保溫2小時，隨爐冷卻。可以得到氣孔率47%、抗彎強度71MPa的磷酸鋁結合氮化硅多孔陶瓷材料。分析測試表明(見圖2)產物的主要物相為α-氮化硅，保持了原料的主要物相， 沒有發生相轉變。氧化鋯與磷酸發生了反應，生成了磷酸鋯(ZrP2O7)起粘結作用，玉米淀粉排除較干凈。通過這種方法制備出的磷酸鋯結合氮化硅多孔陶瓷的孔隙分布比較均勻，孔
隙率高。分析測試表明(見圖4)制備出來的氮化硅多孔陶瓷材料孔隙率較高，孔隙分布比較均勻，孔徑尺度較小。實施例3 :(1)將萘粉、α-氮化硅、二氧化鋯、和乙醇球磨混合，它們的重量配比為 2:6:1: 10;烘干后再將重量濃度為85%的磷酸與上述粉料混合，其中二氧化鋯和磷酸為化學計量比；( 通過IOMI^a模壓處理使材料預成型，經冷等靜壓處理最終成型；(3)成型產物在550°C熱處理并保溫2小時，使磷酸與二氧化鋯作用、反應生成磷酸鋯，同時使淀粉氧化排除，并保溫2小時；(4)將熱處理后的產物在KKKTC氮氣氣氛保護下常壓燒結，升溫速率為100°C /小時，保溫2小時，隨爐冷卻。可以得到氣孔率45%、抗彎強度68MPa的氮化硅多孔陶瓷材料。分析測試表明(見圖2)產物的主要物相為α-氮化硅，保持了原料的主要物相，沒有發生相轉變。氧化鋯與磷酸發生了反應，生成了磷酸鋯(ZrP2O7)起粘結作用，萘粉排除較干凈。通過這種方法制備出的磷酸鋯結合氮化硅多孔陶瓷的孔隙分布比較均勻，孔隙率
尚ο分析測試表明(見圖幻制備出來的氮化硅多孔陶瓷材料孔隙率較高，孔隙分布比較均勻，孔徑尺度較小。實施例4:⑴將淀粉、α-氮化硅、氧化鋁、和乙醇球磨混合，它們的重量配比為 3:6:1: 10;烘干后再將重量濃度為85%的磷酸與上述粉料混合，氧化鋁和磷酸為化學計量比；( 通過IOMPa模壓處理使材料預成型，經冷等靜壓處理最終成型；C3)成型產物在550°C熱處理并保溫2小時，使磷酸與氧化鋁作用、反應生成磷酸鋁，同時排除玉米淀粉形成孔隙；(4)將熱處理后的產物在1000°C氮氣氣氛保護下常壓燒結，升溫速率為100°C / 小時，保溫2小時，隨爐冷卻。可以得到氣孔率53%、抗彎強度54MPa的氮化硅多孔陶瓷材料。實施例5 (1)將淀粉、α -氮化硅、氧化硅、和乙醇球磨混合，它們的重量配比為 3:6:1: 10;烘干后再將重量濃度為85%的磷酸與上述粉料混合，其中氧化硅和磷酸為化學計量比；( 通過IOMPa模壓處理使材料預成型，經冷等靜壓處理最終成型；(3)成型產物在550°C熱處理并保溫2小時，使磷酸與氧化鋁作用、反應生成磷酸鋁，同時使淀粉氧化排除，并保溫2小時；(4)再在100(TC氮氣氣氛保護下常壓燒結，升溫速率為10(TC / 小時，保溫2小時，隨爐冷卻。可以得到氣孔率57%、抗彎強度50MPa的氮化硅多孔陶瓷材料。
權利要求
1.一種氮化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征是一種添加造孔劑的磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷的制備方法，該方法的步驟包括(1)先將10 50vol.%造孔劑直接與α -氮化硅粉、氧化物粉以乙醇為球磨介質混合均勻，然后烘干，得到混合粉；(2)將磷酸按照與氧化物粉形成磷酸鹽的化學計量配比加入到上述混合粉中，得到混合料；(3)將混合料采用模壓成型和冷等靜壓處理，得到成型樣品；(4)將成型樣品在500 700°C進行熱處理并保溫2 5小時，使磷酸與氧化物粉反應形成磷酸鹽并起粘結作用，且造孔劑能夠充分排除，得到熱處理后的產物；(5)將熱處理后的產物在800 1200°C氮氣氣氛保護下常壓燒結，控制反應速率為 50 200°C /小時和保溫時間2 5小時，即得到所述的氮化硅多孔陶瓷。
2.根據權利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于所述造孔劑、 α-氮化硅粉、氧化物粉和乙醇的重量配比為(1 5) 6 1 10。
3.根據權利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于所述造孔劑為玉米淀粉、萘粉或碳粉。
4.根據權利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于所述磷酸鹽主要為磷酸鋯、磷酸鋁、磷酸鉻、磷酸鑭或磷酸硅。
5.根據權利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于所述冷等靜壓成型壓力為50 300MPa。
6.根據權利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于所述α-氮化硅粉的平均粒徑小于或等于0. 5 μ m。
7.根據權利要求1所述的氮化硅多孔陶瓷的制備方法，其特征在于所述的氮化硅多孔陶瓷的密度為0. 8 2. Og/cm3。
全文摘要
本發明是一種添加造孔劑的磷酸鹽結合氮化硅多孔陶瓷的制備方法，具體是先將10～50vol.％造孔劑直接與α-氮化硅粉、氧化物粉以乙醇為球磨介質混合均勻，然后烘干得到混合粉；將磷酸按照與氧化物粉形成磷酸鹽的化學計量配比加入到混合粉中，得到混合料；將混合料采用模壓成型和冷等靜壓處理，得到成型樣品；將成型樣品在500～700℃進行熱處理并保溫2～5小時，然后在800～1200℃氮氣氣氛保護下常壓燒結，即得到所述的氮化硅多孔陶瓷。本發明工藝簡單、可重復性好、成本低，而且所制備的氮化硅多孔陶瓷材料具有孔隙分布均勻、孔徑尺度小、孔隙率高和力學強度較高等優異性能。
文檔編號C04B38/00GK102267814SQ20101018917
公開日2011年12月7日 申請日期2010年6月2日 優先權日2010年6月2日
發明者張聯盟, 沈強, 王傳彬, 陳斐, 馬玲玲 申請人:武漢理工大學