專利名稱：一種多孔β-SiAlON 陶瓷的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種多孔陶瓷材料的制備方法。
背景技術：
隨著技術的發展，飛行器飛行速度的提高，對各類航天飛行器天線罩的性能提出了更高的要求，無機材料的高溫強度和介電性能賦予其在高速導彈中應用中足夠的競爭力，使它在馬赫數為3左右的防空導彈上曾得到廣泛的應用。Si3N4陶瓷以其優良的室溫和高溫力學性能、良好的抗熱震性，成為了引人注目的天線罩材料，通過控制氮化硅的氣孔率從而獲得各種不同密度、不同介電常數的類泡沫氮化硅，可用以制造耐高溫高達1600°C、寬帶、地瞄準誤差的導彈天線罩。SiAlON陶瓷為Si3N4陶瓷固溶體，SiAlON陶瓷吸收燒結過程的液相組分，進入到它的結構中，從而減少了晶間相的含量，凈化了晶界，從而提高材料的 高溫性能。膠態成型通常用于制備復雜形狀的陶瓷材料，主要包括流延成型、注射成型、凝膠注模成型和冷凝成型。在這些膠態成型技術中，冷凝成型技術工藝比較簡單。把陶瓷漿料(通常為水基)，在相對低的溫度下，如_40°C讓其凝固在無孔德模具里，脫模后讓溶劑升華即冷凍干燥得到陶瓷坯體。最后通過燒結獲得具有致密孔壁的陶瓷材料，期中氣孔的形成是所用溶劑晶體形態的復制。該工藝有很多優點，例如制造周期短，干燥過程無裂紋出現，避免除去交聯劑而帶來的麻煩。但是在冷凝的過程中和冷凍干燥的過程中需要保持溫度低于0°C。冷凝成型工藝的一個重要組成部分就是漿料的制備。由于漿料制備過程選用的不同溶劑結晶后具有不同結晶形態，通過溶劑的選擇從而可以制備出不同孔結構的多孔陶瓷。但是對于其溶劑的選擇需要滿足以下幾個條件適當的凝固條件；具有比較低的粘度；在固態時需要有較高的飽和蒸汽壓。現有的多孔β -SiAlON陶瓷采用部分燒結法制備而成，這種方法制備得到的多孔β -SiAlON陶瓷孔結構分布不均勻，且不能控制孔隙率的問題。

發明內容
本發明的目的是要解決現有采用部分燒結法制備得到的多孔β -SiAlON陶瓷存在孔結構分布不均勻，且不能控制孔隙率的問題，而提供一種多孔β-SiAlON陶瓷的制備方法。一種多孔β-SiAlON陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、準備材料依照化學式Si6_zAlz0zN8_z,按Si元素、Al元素、O元素與N元素摩爾比為6_z:z:z:8_z的比例稱取Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末；步驟一中所述的化學式Si6_zAlz0zN8_z中z為I、
2、3或5 ;二、制備混合粉末首先以Si3N4球為磨球，以無水乙醇為球磨介質，將步驟一稱取的Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末進行球磨濕混18tT22h，烘干過200目篩后得到混合粉末；步驟二中所述的Si3N4球質量與Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末總質量的比為(O. 9^1. I) : I ;步驟二中所述的無水乙醇體積與Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末總質量的比為(ImLlmL) : Ig ;三、制備崁烯-β-SiAlON漿料首先將崁烯、分散劑和混合粉末置于球磨罐中，然后在溫度為55°C 65°C下球磨12tT24h，即得到均勻穩定的崁烯-β-SiAlON漿料；步驟三中所述的分散劑與混合粉末的質量比為(O. 5 1):1，步驟三中所述的崁烯與混合粉末的體積比為(I. 5、)1 ;四、冷凝首先在溫度為55°C 65°C下對聚乙烯模具預熱20mirT40min,然后將步驟三得到的均勻穩定的炭烯-β -SiAlON衆料倒入預熱好的聚乙烯模具中，再轉移至制冷裝置中，采用冷源進行冷凝，冷凝至完全凝固為止，得到凝固的崁烯-β -SiAlON ;五、干燥將步驟四得到凝固的崁烯-β -SiAlON置于溫度為20°C "25°C空冷干燥40tT56h，或者將步驟四得到凝固的崁烯-β -SiAlON置于冷凍干燥機中，在溫度為-1°C 1°C下干燥40tT56h，即得到干燥后崁烯-β-SiAlON;六、無壓燒結將步驟五得到的干燥后崁烯-β -SiAlON放入石墨坩堝中，采用按BN粉末與Si3N4粉末體積比(O. 9^1. I) : I混合得到的BN/Si3N4混粉進行埋粉，埋粉厚度為8mnTl2mm，然后在N2保護下以升溫速率為20°C /min從室溫升溫至1800°C 1900°C，并繼續在溫度為1800°C 1900°C和N2保護條件下燒結ltT2h，即得到多孔β -SiAlON陶瓷。
本發明優點一、本發明采用崁烯代替傳統的水作為溶劑，解決了 AlN原料遇水發生水解的問題；二、本發明采用冷凝成型技術制備出了多孔β-SiAlON陶瓷材料，突破了傳統工藝在制備復雜構件和苛刻干燥條件都局限，通過控制固相含量(即崁烯與混合粉末的體積比，混合粉末為Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末混合物)達到控制孔隙率的目的，制備出了不同孔隙率的高強度的β-SiAlON多孔陶瓷材料，孔隙率為36°/Γ71%，在孔隙率為36%時陶瓷材料的抗彎強度為306MPa ;三、本發明通過調節漿料的固相含量，可得到不同氣孔率的β -SiAlON多孔陶瓷材料，介電常數為3. 5^5. 6，遠小于致密的氮化硅基陶瓷的介電常數，滿足實際應用中對介電性能的要求。


圖I是試驗一制備的多孔β-SiAlON陶瓷XRD圖；圖2是試驗一制備的多孔β -SiAlON 陶瓷 2000 倍的 SEM 圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式是一種多孔β -SiAlON陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、準備材料依照化學式Si6_zAlz0zN8_z，按Si元素、Al元素、O元素與N元素摩爾比為6-z:z:z:8-z的比例稱取Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末；二、制備混合粉末首先以Si3N4球為磨球，以無水乙醇為球磨介質，將步驟一稱取的Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末進行球磨濕混18tT22h，烘干過200目篩后得到混合粉末；三、制備崁烯_β-SiAlON漿料首先將崁烯、分散劑和混合粉末置于球磨罐中，然后在溫度為55°C 65°C下球磨12tT24h，即得到均勻穩定的崁烯_β-SiAlON漿料；四、冷凝首先在溫度為55°C 65°C下對聚乙烯模具預熱20mirT40min，然后將步驟三得到的均勻穩定的崁烯-β-SiAlON漿料倒入預熱好的聚乙烯模具中，再轉移至制冷裝置中，采用冷源進行冷凝，冷凝至完全凝固為止，得到凝固的崁烯-β-SiAlON;五、干燥將步驟四得到凝固的崁烯-β-SiAlON置于溫度為20°C 25°C空冷干燥40tT56h，或者將步驟四得到凝固的崁烯-β -SiAlON置于冷凍干燥機中，在溫度為-1°C 1°C下干燥40tT56h，即得到干燥后崁烯-β -SiAlON ;六、無壓燒結將步驟五得到的干燥后崁烯-β -SiAlON放入石墨坩堝中，采用按BN粉末與Si3N4粉末體積比(O. 9^1. I) : I混合得到的BN/Si3N4混粉進行埋粉，埋粉厚度為8mnTl2mm，然后在N2保護下以升溫速率為20°C /min從室溫升溫至1800°C "1900°C，并繼續在溫度為1800°C 1900°C和N2保護條件下燒結ltT2h，即得到多孔β -SiAlON陶瓷。本實施方式步驟一中所述的化學式為Si6_zAlz0zN8_z中z為1、2、3或5。本實施方式步驟二中所述的Si3N4球質量與Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末總質量的比為(O. 9^1. I) :1 ;本實施方式步驟二中所述的無水乙醇體積與Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末總質量的比為(ImLlmL) : Ig ；本實施方式步驟三中所述的分散劑與混合粉末的質量比為(O. 5^1) : I ;本實施方式步驟三中所述的崁烯與混合粉末的體積比為(15、) I。本實施方式采用崁烯代替傳統的水作為溶劑，解決了 AlN原料遇水發生水解的問 題。本實施方式采用冷凝成型技術制備出了多孔β-SiAlON陶瓷，突破了傳統工藝在制備復雜構件和苛刻干燥條件都局限，通過控制固相含量(即崁烯與混合粉末的體積比，混合粉末為Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末混合物)達到控制孔隙率的目的，制備出了不同孔隙率的高強度的β -SiAlON多孔陶瓷材料，孔隙率為36°/Γ71%，在孔隙率為36%時陶瓷材料的抗彎強度為306MPa。本實施方式通過調節漿料的固相含量，可得到不同氣孔率的多孔β-SiAlON陶瓷，介電常數為3. 5^5. 6，遠小于致密的氮化硅基陶瓷的介電常數，滿足實際應用中對介電性能的要求。在冷凝過程中，通過控制漿料的冷卻速率而得到孔隙率分布均勻的β -SiAlON陶瓷。本實施方式選擇在溫度為20°C 25°C空冷干燥是因為在33°C下崁烯會部分融化，發生再結晶現象，因此導致坯體孔徑的增大，造成孔徑分布不均的現象，而且20°C 25V為室溫，不需要其他冷凍設備便可達到的溫度，更容易實現，且降低制備成本。本實施方式選擇置于冷凍干燥機中在溫度為-1°C 1°C下干燥是因為在-1°C 1°C下崁烯不會再結晶，而且冷凍干燥機是可以提供真空環境，使崁烯更快的揮發完全，減少干燥時間。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一的不同點是步驟三中所述的分散劑為德謙923S潤濕分散劑。其他與具體實施方式
一相同。本實施方式所述的德謙923S潤濕分散劑瑟吉歐電中性聚羧酸胺鹽與改性聚硅氧烷的混合物，由廣州錦鴻化工有限公司代理經營，該分散劑適用于崁烯為溶劑的β -SiAlON原始粉末的漿料，可提高其漿料穩定性和漿料固相含量，所以本實施方式選擇該德謙923S潤濕分散劑最為本實施方式的分散劑。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二之一不同點是步驟四中所述的冷源為冰水、溫度為_60°C _30°C的酒精或溫度為_185°C _180°C的液氮。其他與具體實施方式
一或二相同。采用下述試驗驗證本發明效果
試驗一一種多孔β-SiAlON陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的一、準備材料依照化學式Si3Al3O3N5,按Si元素、Al元素、O元素與N元素摩爾比為3:3:3:5的比例稱取Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末；二、制備混合粉末首先以Si3N4球為磨球，以無水乙醇為球磨介質，將步驟一稱取的Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末進行球磨濕混20h，烘干過200目篩后得到混合粉末；三、制備崁烯-β -SiAlON漿料首先將崁烯、分散劑和混合粉末置于球磨罐中，然后在溫度為60°C下球磨18h，即得到均勻穩定的崁烯-β -SiAlON漿料；四、冷凝首先在溫度為60°C下對聚乙烯模具預熱30min，然后將步驟三得到的均勻穩定的崁烯-β -SiAlON漿料倒入預熱好的聚乙烯模具中，再轉移至制冷裝置中，以冰水為冷源進行冷凝，冷凝至完全凝固為止，得到凝固的崁烯-β-SiAlON;五、干燥將步驟四得到凝固的崁烯-β -SiAlON置于溫度為22°C空冷干燥48h，即得到干燥后崁烯-β -SiAlON ;六、無壓燒結將步驟五得到的干燥后崁烯-SiAlON放入石墨坩堝中，采用按BN粉末與Si3N4粉末體積比I: I混合得到的BN/Si3N4混粉進行埋粉，埋粉厚度為10mm，然后在N2保護下以升溫速率為20°C /min從室溫升溫至1800°C，并繼續在溫度為1800°C和N2保護條件下燒結I. 5h,即得到多孔β -SiAlON陶瓷。
本試驗步驟三中所述的分散劑與混合粉末的質量比為1:1 ;本試驗步驟二中所述的Si3N4球質量與Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末總質量的比為I: I ;本試驗步驟二中所述的無水乙醇體積與Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末總質量的比為I. 5mL: Ig ;本試驗步驟三中所述的崁烯與混合粉末的體積比為7:3。采用X射線衍射儀觀察本試驗制備的多孔β -SiAlON陶瓷，如圖I所示，圖I是本試驗制備的多孔β -SiAlON陶瓷XRD圖，通過圖I給出的就是XRD測試結果，分析可知物相為β-SiAlON，確定本試驗制備的多孔β-SiAlON陶瓷為存在β-SiAlON物相的多孔陶瓷，說明氣孔率對β -SiAlON物相的生成沒有影響。采用掃描電子顯微鏡觀察本試驗制備的多孔β -SiAlON陶瓷，如圖2所示，圖2是本試驗制備的多孔β -SiAlON陶瓷2000倍的SEM圖，通過圖2可以看出孔均勻分布在基體中，孔壁基本完全致密且由長棒狀的β -SiAlON晶粒組成。通過檢測可知本試驗制備的多孔β -SiAlON陶瓷孔隙率為36%，抗彎強度為306MPa。
權利要求
1.一種多孔P-SiAlON陶瓷的制備方法，其特征在于多孔P-SiAlON陶瓷的制備方法是按以下步驟完成的一、準備材料依照化學式Si6_zAlz0zN8_z，按Si元素、Al元素、0元素與N元素摩爾比為6-z: z: z: 8-z的比例稱取Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末；步驟一中所述的化學式Si6_zAlz0zN8_z中z為1、2、3或5 ;二、制備混合粉末首先以Si3N4球為磨球，以無水乙醇為球磨介質，將步驟一稱取的Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末進行球磨濕混18tT22h，烘干過200目篩后得到混合粉末；步驟二中所述的Si3N4球質量與Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末總質量的比為(0. 9^1. I) : I ;步驟二中所述的無水乙醇體積與Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末總質量的比為(ImLlmL) : Ig ;三、制備崁烯-P-SiAlON漿料首先將崁烯、分散劑和混合粉末置于球磨罐中，然后在溫度為55°C 65°C下球磨12tT24h，即得到均勻穩定的崁烯-P -SiAlON漿料；步驟三中所述的分散劑與混合粉末的質量比為(0. 5^1) : 1，步驟三中所述的崁烯與混合粉末的體積比為(15、) I ;四、冷凝首先在溫度為55°C飛5°C下對聚乙烯模具預熱20mirT40min,然后將步驟三得到的均勻穩定的炭烯-SiAlON楽;料倒入預熱好的聚乙烯模具中，再轉移至制冷裝置中，采用冷源進行冷凝，冷凝至完全凝固為止，得到凝固的崁烯-P-SiAlON ;五、干燥將步驟四得到凝固的崁烯-P-SiAlON置于溫度為200C 25°C空冷干燥40h 56h，或者將步驟四得到凝固的崁烯-P -SiAlON置于冷凍干燥機中，在溫度為-1°C 11下干燥4011 5611，即得到干燥后崁烯-3-5141(^;六、無壓燒結將步驟五得到的干燥后崁烯-P -SiAlON放入石墨坩堝中，采用按BN粉末與Si3N4粉末體積比(0. 9 I. I) : I混合得到的BN/Si3N4混粉進行埋粉，埋粉厚度為8mm 12mm，然后在N2保護下以升溫速率為20°C /min從室溫升溫至1800°C 1900°C，并繼續在溫度為1800°C 1900°C和N2保護條件下燒結lhlh，即得到多孔P -SiAlON陶瓷。
2.根據權利要求I所述的一種多孔P-SiAlON陶瓷的制備方法，其特征在于步驟三中所述的分散劑為德謙923S潤濕分散劑。
3.根據權利要求I或2所述的一種多孔P-SiAlON陶瓷的制備方法，其特征在于步驟四中所述的冷源為冰水、溫度為_60°C _30°C的酒精或溫度為-185°C _180°C的液氮。
全文摘要
一種多孔β-SiAlON陶瓷的制備方法，它涉及一種多孔陶瓷材料的制備方法。本發明的目的是要解決現有采用部分燒結法制備得到的多孔β-SiAlON陶瓷存在孔結構分布不均勻，且不能控制孔隙率的問題。方法一、依照化學式Si6-zAlzOzN8-z準備材料；二、球磨混合得到混合粉末；三、采用崁烯、分散劑和混合粉末球磨得到均勻穩定的崁烯-β-SiAlON漿料；四、冷凝得到凝固的崁烯-β-SiAlON；五、經干燥得到干燥后崁烯-β-SiAlON；六、無壓燒結得到多孔β-SiAlON陶瓷。本發明主要用于制備多孔β-SiAlON陶瓷。
文檔編號C04B35/622GK102807373SQ20121034125
公開日2012年12月5日 申請日期2012年9月14日 優先權日2012年9月14日
發明者葉楓, 侯趙平, 劉強, 劉利盟, 張海礁 申請人:哈爾濱工業大學