一種高度定向通孔多孔氮化硅陶瓷材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高度定向通孔多孔陶瓷材料的制備方法，屬于多孔陶瓷材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]多孔陶瓷是一種氣孔通過各種方式排列的無機非金屬材料，具有體積密度小，比表面積大等特性。多孔氮化硅陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕和化學穩定性等特點，可以廣泛應用于液體過濾、凈化分離、催化載體、耐火材料、透波材料、隔音材料和生物材料等領域。
[0003]目前多孔陶瓷材料的制備方法有發泡法、添加造孔劑法、有機泡沫浸漬法、溶膠-凝膠法和冷凍鑄造法等，其中冷凍鑄造法(Advanced Engineering Materials,2008, 10[3]:155-68)作為一種可以對孔結構進行控制并制備定向孔結構的方法受到廣泛的關注。冷凍鑄造法是將陶瓷漿料在低溫下進行定向的凝固，然后在低壓的條件下，溶劑緩慢升華，得到具有定向孔結構的坯體，最后進行燒結得到多孔陶瓷。張躍等人(中國專利ZL200810239016.2)采用水作為溶劑，制備了定向孔結構的多孔陶瓷，但坯體的強度低，氣孔平行性差。Ruifeng Chen 等人(J.Am.Ceram.Soc.，2007，90 [11]:3478 - 3484)將溶膠一凝膠法與冷凍鑄造法結合起來，以叔丁醇作為溶劑，丙烯酰胺作為單體，N, N’ -亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯劑，將原料混合均勻，所得漿料在低溫下凝固，然后升溫，叔丁醇會發生升華，而單體在交聯劑的作用下發生聚合，使得所得到的坯體具有較高的強度，但工藝復雜，并且過程中使用了叔丁醇，丙烯酰胺等具有一定毒性的物質，不環保，因而限制了這種方法的應用。
【發明內容】
[0004]本發明旨在克服現有技術中氮化硅陶瓷材料制備方法的缺陷，本發明提供了一種高度定向通孔多孔陶瓷材料的制備方法。
[0005]本發明提供了一種高度定向通孔多孔氮化硅陶瓷材料的制備方法，所述制備方法包括:
1)將硅粉、燒結助劑、水混合球磨形成水基漿料，其中，硅粉、燒結助劑和水的質量比例為(10 ?250):(1 ?45):100 ；
2)將步驟I)制備的水基漿料倒入模具中，成型后脫模干燥，得到陶瓷坯體；
3)將步驟2)制備的陶瓷坯體在氮氣氣氛下進行反應燒結以及后燒結，得到所述具有高度定向通孔多孔氮化娃陶瓷材料。
[0006]較佳地，步驟I)中，所述水基漿料還包括第二相添加物，所述第二相添加物為Al2O3,Zr02，Si3N4、SiC、BN、Si02中的至少一種，第二相添加物和水的質量比例為(O?100):100，且第二相添加物質量不為O。第二相添加物作為可選優選的添加物，不加入也能得到這種定向孔結構，但加入可以改善陶瓷的性能，擴大其應用范圍。
[0007]較佳地，步驟I)中，所述燒結助劑包括 Y203、A1203、Yb2O3, Lu2O3, Sm2O3, S12, Nd2O3,Ee2O3中的至少一種。
[0008]較佳地，步驟I)中，所述水基漿料還包含分散劑，分散劑和水的質量比例為(0.1?20):100，分散劑包括可溶于水的高分子聚合物體系，優選異丁烯馬來酸酐聚合物、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺、聚甲基丙烯酸鈉、聚丙烯酸、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸銨、聚乙烯亞胺中的至少一種。
[0009]較佳地，步驟I)中，所述水基漿料還包含粘結劑，粘結劑和水的質量比例為(0.1?20):100，粘結劑包括可溶于水的高分子聚合物體系，優選異丁烯馬來酸酐聚合物、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛中的至少一種。
[0010]較佳地，步驟I)中，硅粉、燒結助劑、第二相添加物和水的質量比例為(50?250):(5?30): (O?50): 100，且第二相添加物質量不為O0
[0011]較佳地，步驟I)中，所述的模具為具有吸水功能的模具，優選石膏或有機材料制成。
[0012]較佳地，步驟2)中，成型時間為I?24小時。
[0013]較佳地，步驟2)中，干燥條件為20?120°C干燥4?96小時。
[0014]較佳地，步驟3)中，所述反應燒結包括:以I 一 10°C /分鐘升溫至800?1100°C，保溫時間I一 12小時；以及以10— 300°C /小時升溫至1200?1500°C，保溫時間I一 12小時，以I一 10°C /分鐘的降溫速率降溫至600?1000°C，最后隨爐冷卻；
所述后燒結的升溫速率為以I?10°C /分鐘升溫至1500-1950°C，保溫時間I一 12小時。
[0015]本發明的有益效果:
(1)選用廉價硅粉作為主要原料，降低了成本；針對現有技術存在的問題和不足，本發明提供了一種高度定向通孔多孔氮化硅陶瓷材料的制備方法。以廉價硅粉作為主要原料，利用硅粉的水解來產生氣孔，制備高度定向通孔多孔氮化硅陶瓷材料；
(2)成型過程中對設備要求性低，選擇的是具有吸水性的模具，結合注漿成型，使得生坯中顆粒堆積密度高，提高了坯體的強度；
(3)工藝簡單，能夠制備高度定向通孔結構的多孔陶瓷。
【附圖說明】
[0016]圖1示出了本發明的一個實施方式中制備得到的生坯橫截面的圖片；
圖2示出了本發明的一個實施方式中制備得到的生坯斷面的圖片；
圖3示出了本發明的一個實施方式中制備得到的多孔氮化硅陶瓷在平行于橫截面方向的掃描電鏡圖片；
圖4示出了本發明的一個實施方式中制備得到的多孔氮化硅陶瓷在垂直于橫截面的方向的掃描電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖和下述實施方式進一步說明本發明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。
[0018]針對現有技術存在的問題和不足，本發明提供了一種高度定向通孔多孔氮化硅陶瓷材料的制備方法。以廉價硅粉作為主要原料，利用硅粉的水解來產生氣孔，制備高度定向通孔多孔氮化硅陶瓷材料。
[0019]本發明公開了一種高度定向通孔多孔陶瓷材料的制備方法，是利用硅粉與水反應生成的氣泡來制備多孔陶瓷，包括以下步驟:
將硅粉、燒結助劑、第二相添加物、水、分散劑和粘結劑混合球磨形成水基漿料；
將制備得到的漿料倒入模具中，成型后脫模干燥；
最后將坯體進行反應燒結以及后燒結，即得到具有定向通孔結構的多孔陶瓷。
[0020]采用這種方法制備的多孔氮化硅陶瓷的孔隙率在10?90%之間，孔徑分布為
0.5?1000 μm，抗壓強度為5?900MPa。與其它制備多孔陶瓷的方法相比，所述方法成本低廉、工藝簡單，能夠制備高度定向通孔的多孔陶瓷。
[0021]硅粉、燒結助劑、第二相添加物、分散劑、粘結劑和水的比例依次推薦為(10?250): (I ?45): (I ?100): (0.2 ?20): (0.2 ?20):100。
[0022]所述的燒結助劑為Y203、Al2O3' Yb2O3' Lu2O3' Sm2O3' S12, Nd2O3' Ee2O3中任意一種或者是兩種以上以任意比例組成的混合物。
[0023]所述的第二相添加物為Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC, BN、S12任意一種或者是兩種以上以任意比例組成的混合物。
[0024]所述的分散劑為可溶于水的體系，包括異丁烯馬來酸酐聚合物、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸胺、聚甲基丙烯酸鈉、聚丙烯酸、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸銨、聚乙烯亞胺等高分子聚合物任意一種或兩種。
[0025]所述的粘結劑為可溶于水的體系，包括異丁烯馬來酸酐聚合物、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛等高分子聚合物任意一種或兩種。
[0026]所述的模具是石膏或有機材料制成的吸水模具。
[0027]所述的成型時間為I?24小時。
[0028]所述的干燥條件是20?120°C干燥4?96小時。
[0029]所述的反應燒結條件是，先快速升溫至800?1100°C，再緩慢升溫至1200?1500°C，然后進行氮化反應燒結，燒結完畢降溫至600?1000°C，最后隨爐冷卻。
[0030]所述的后燒結是在氮氣條件下，以I?10°C /min升至1500?1950°C，保溫I?12小時。
[0031]和現有技術相比較，本發明具有如下有益效果:
(1)選用廉價硅粉作為主要原料，降低了成本；
(2)成型過程中對設備要求性低，選擇的是具有吸水性的模具，結合注漿成型，使得生坯中顆粒堆積密度高，提高了坯體的強度；
(3)工藝簡單，能夠制備高度定向通孔結構的多孔陶瓷。
[0032]以下進一步列舉出一些示例性的實施例以更好地說明本發明。應理解，本發明詳述的上述實施方式，及以下實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，本領域的技術人員根據本發明的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬于本發明的保護范圍。另外，下述工藝參數中的具體配比、時間、溫度等也僅是示例性，本領域技術人員可以在上述限定的范圍內選擇合適的值。
[0033]實施例1 (1)將40g硅粉、4.3g燒結助劑氧化釔、27g水和0.1g異丁烯馬來酸酐聚合物進行混合球磨，球磨機轉速300rpm/h，球磨2小時后形成水基漿料；
(2)將制備得到的漿料倒入石膏模具中，在常溫條件下成型脫模，脫模后在60°C烘箱內干燥24小時后得到陶瓷還體；
(3)然后將坯體