一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法

2023-06-07 14:11:41

專利名稱：一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及陶瓷材料領域，特別是涉及一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法。
背景技術：
近年來，氮化矽多孔陶瓷作為一種高技術新型陶瓷，是在研究氮化矽陶瓷和多孔陶瓷基礎上逐漸掀起的一種新型多孔陶瓷材料，因其充分發揮氮化矽陶瓷和多孔陶瓷兩者的優異性能而受到全球材料界的高度關注。
氮化矽多孔陶瓷作為一種新型的「結構—功能」一體化陶瓷材料，除了具有高比強、高比模、耐高溫、抗氧化、耐磨損和抗熱震等優良的綜合性能外，還具有下列一些多孔特性(1)耐熱性好；(2)化學穩定性好；(3)幾何表面積與體積比高；(4)具有高度開口、內連的氣孔；(5)孔道分布較均勻，氣孔尺寸可控；(6)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。
氮化矽多孔陶瓷作為一種性能優異、前景廣闊的新型多孔材料，其潛在應用可廣泛分布於化工、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、軍事和核工業方面也有不少的應用。
氮化矽多孔陶瓷的氣孔率、孔徑的調節與控制主要是通過粉料顆粒配比、成型密度和添加成孔劑以及β相轉變的方法來實現。目前多孔氮化矽陶瓷的製備方法有很多種，如添加適量的成孔劑形成孔隙，或者通過控制燒結助劑的含量，利用低燒結助劑含量而形成適當孔隙，以及通過氧化矽的碳熱反應燒結的方法製備β-氮化矽多孔材料，此外還有冷凍法、部分熱壓法、燃燒合成法等製備氮化矽多孔陶瓷的技術。如用聚氨基甲酸乙酯做發泡劑，經澆注成形，製備氮化矽多孔陶瓷已見報導，雖然可以製備孔隙可控的氮化矽多孔材料，但是這種工藝複雜，成本高，不易製備孔徑較小的材料，並且這種方法在製備氮化物陶瓷時常常遇到成孔劑燃燒不徹底的問題。採用反應燒結的方法比較容易製備高孔隙率且力學性能較好的多孔氮化矽材料，但是反應溫度較高，得到的全部是β-氮化矽的多孔體。
通過對國內外專利與文獻的查新結果表明還沒有使用磷酸作為添加劑製備多孔氮化矽陶瓷材料的報導。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種比較簡易的方法，在較低的溫度下製備具有性能優異的氮化矽多孔陶瓷材料，並開發一種新型的無機溶劑(磷酸)取代有機物造孔劑製備多孔氮化矽材料的新方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是將液體磷酸作為添加劑直接與α-氮化矽陶瓷粉料均勻混合，二者之重量配比為1∶15～2∶1；將混合料採用模壓成型或者注漿成型的方法成型；將成型樣品在300～500℃進行熱處理並保溫2～5小時，使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化；將熱處理後的產物在900～1500℃氮氣保護氣氛下常壓燒結，控制反應速率為100～200℃/小時和保溫時間2～5小時，即得到一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料。
本發明利用磷酸與氮化矽顆粒表面的非晶氧化矽膜層在300～500℃反應並形成焦磷酸矽，增大了氮化矽顆粒的表面活性，並且這種焦磷酸矽可以十分有效地作為粘結劑促使氮化矽顆粒進行粘結，從而使得多孔氮化矽陶瓷材料具備較高的強度；在反應過程中，基於磷酸不斷揮發並形成多孔這樣一種造孔、燒結機理，製備出具有高孔隙率、孔徑較小、孔隙分布均勻和較高力學(抗彎)強度的氮化矽多孔陶瓷材料。
本發明工藝簡單、可重複性好、成本低，而且所製備的氮化矽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。


圖1是本發明工藝流程示意圖。
圖2為實施例1產物的XRD圖。
圖3為實施例1產物的SEM圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法，其工藝流程如圖1所示包括混合、模壓成型或者注漿成型、熱處理和燒結工序。
下面結合實施例對本發明作進一步說明。
按下述步驟製備氮化矽多孔陶瓷材料(1)將液體磷酸作為添加劑直接與粒徑小於5μm的α-氮化矽陶瓷粉料均勻混合，二者之重量配比為1∶15～2∶1。液體磷酸的重量濃度為70～98％。
(2)將混合料採用模壓成型或者注漿成型的方法成型，其中，模壓成型壓力為10～50Mpa。
(3)將經過成型的樣品在300～500℃進行熱處理並保溫2～5小時，在此溫度下，利用磷酸與氮化矽顆粒表面的非晶氧化矽膜層在300～500℃反應形成焦磷酸矽(SiP2O7)，使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化。
(4)將熱處理後的產物在900～1500℃氮氣保護氣氛下常壓燒結，控制反應速率為100～200℃/小時和保溫時間2～5小時，得到一種高孔隙率、孔徑尺度較小、力學強度較高和材料密度為1.0～2.3g/cm3的高性能的氮化矽多孔陶瓷材料。
實施例1(1)將重量濃度為85％的磷酸與粒徑小於0.5μm的α-氮化矽粉料按照重量比為1∶4均勻混合；(2)通過10MPa模壓處理使材料成型；(3)500℃進行熱處理使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化、反應生成焦磷酸矽，並保溫2小時；(4)氮氣氣氛保護下於1000℃進行常壓燒結，升溫速率為100℃/小時，保溫2小時。可以得到氣孔率45％，抗彎強度為82MPa的氮化矽多孔陶瓷材料。
分析測試表明(見圖2)產物的主要物相為α-氮化矽，仍然保持了原料的主要物相，沒有發生相轉變。氮化矽表面的氧化矽膜與磷酸發生了發應，生成了微量的SiP2O7(焦磷酸矽)微量的焦磷酸矽說明了500℃進行一次熱處理時氮化矽表面的非晶氧化矽膜與磷酸發生發應，使得這種氮化矽多孔陶瓷材料具有較高的力學強度。通過這種方法製備出來的氮化矽多孔陶瓷材料孔隙分布比較均勻，孔隙率高，孔徑尺度較小。
分析測試表明(見圖3)製備出來的氮化矽多孔陶瓷材料孔隙率較高，孔隙分布比較均勻，孔徑尺度小。
實施例2(1)將重量濃度為90％的磷酸與粒徑為2μm的α-氮化矽粉料按照重量比為1∶10均勻混合；(2)通過50MPa模壓處理使材料成型；(3)500℃進行熱處理使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化、反應生成焦磷酸矽，並保溫2小時；(4)氮氣氣氛保護下於900℃進行常壓燒結，升溫速率為100℃/小時，保溫2小時。可以得到氣孔率50％，抗彎強度為112MPa的氮化矽多孔陶瓷材料。
實施例3(1)將重量濃度為70％的磷酸與粒徑小於0.5μm的α-氮化矽粉料按照重量比為1∶5均勻混合；(2)通過10MPa模壓處理使材料成型；(3)500℃進行熱處理使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化、反應生成焦磷酸矽，並保溫2小時；(4)氮氣氣氛保護下於1200℃進行常壓燒結，升溫速率為100℃/小時，保溫5小時。可以得到氣孔率60％，抗彎強度為66MPa的氮化矽多孔陶瓷材料。
實施例4(1)將重量濃度為98％的磷酸與粒徑為2μm的α-氮化矽粉料按照重量比為1∶15均勻混合；(2)通過50MPa模壓處理使材料成型；(3)300℃進行熱處理使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化、反應生成焦磷酸矽，並保溫2小時；(4)氮氣氣氛保護下於1500℃進行常壓燒結，升溫速率為200℃/小時，保溫2小時。可以得到氣孔率42％，抗彎強度為54MPa的氮化矽多孔陶瓷材料。
實施例5(1)將重量濃度為85％磷酸與粒徑小於0.5μm的α-氮化矽粉料按照重量比為2∶1均勻混合；(2)通過注漿成型方式使材料成型；(3)500℃進行熱處理使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化、反應生成焦磷酸矽，並保溫2小時；(4)氮氣氣氛保護下於1000℃進行常壓燒結，升溫速率為100℃/小時，保溫2小時。可以得到孔隙率為70％的氮化矽多孔陶瓷。
權利要求
1.一種氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法，其特徵是一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法，其按下述步驟進行(1)將液體磷酸作為添加劑直接與α-氮化矽陶瓷粉料均勻混合，二者之重量配比為1∶15～2∶1，(2)將混合料採用模壓成型或者注漿成型的方法成型，(3)將成型樣品在300～500℃進行熱處理並保溫2～5小時，使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化，(4)將熱處理後的產物在900～1500℃氮氣保護氣氛下常壓燒結，控制反應速率為100～200℃/小時和保溫時間2～5小時，即得到一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料。
2.根據權利要求1所述的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法，其特徵在於液體磷酸的重量濃度為70～98％。
3.根據權利要求1所述的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法，其特徵在於α-氮化矽陶瓷粉料粒徑小於5μm。
4.根據權利要求1所述的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法，其特徵在於模壓成型壓力為10～50Mpa。
5.根據權利要求1所述的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法，其特徵在於氮化矽多孔陶瓷材料的密度為1.0～2.3g/cm3。
全文摘要
本發明提供了一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料的製備方法，即將液體磷酸作為添加劑直接與α－氮化矽陶瓷粉料均勻混合，二者之重量配比為1∶15～2∶1；將混合料採用模壓成型或者注漿成型的方法成型；將成型樣品在300～500℃進行熱處理並保溫2～5小時，使氮化矽顆粒表面通過磷酸作用得到淨化；將熱處理後的產物在900～1500℃氮氣保護氣氛下常壓燒結，控制反應速率為100～200℃/小時和保溫時間2～5小時，即得到一種磷酸作為添加劑的氮化矽多孔陶瓷材料。本發明工藝簡單、可重複性好、成本低，而且所製備的氮化矽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C04B38/00GK1803716SQ200610018178
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月17日 優先權日2006年1月17日
發明者張聯盟, 沈強, 陳斐, 陳常連, 王傳彬 申請人:武漢理工大學