摘要 : 综述了多孔氮化硅陶瓷材料的国内外研究现状和进展 ,介绍了多孔氮化硅陶瓷的主要制备方法 ,分析了微观 组织对多孔氮化硅陶瓷力学性能的影响 ,并与其他多孔陶瓷进行了性能比较 , 最后展望了多孔氮化硅陶瓷的发展 前景 。 关键词 : 多孔氮化硅 ; 制备方法 ; 微观结构 ; 力学性能 中图分类号 : TQ174 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 2 1625 ( 2009 ) 01 2 0138 2 05

  的多孔氮化硅陶瓷 。β2Si3 N4 晶须的烧结性较差 , 烧结后会残留一定气孔 。由于氮化硅晶须的单方向排列 , 最终可获得有明显取向的紧密搭接的棒状晶粒和各相异性的微孔结构 。 [9] 2. 2. 3 反应接合抑制烧结法 碳与氮化硅之间的反应发生在氮化硅粒子的表面 ,位于氮化硅粒子之间的反应物在氮化硅晶粒之间起 粘结的作用 ,并通过阻碍氮化硅粒子的重排抑制了烧结收缩 ,从而使烧结后产生高孔隙率 。

  用聚氨酯泡沫为模板制备了具尺寸可控的网状多孔氮化硅陶瓷 。这种方法包括两次离心过滤 。 首先通过高速离心过滤在聚氨酯表面涂敷一层薄的浆料 ,浆料干燥后 ,得到高强度的生坯 ; 在第一次涂敷后 , 浆料与坯体的粘结力提高了 ,再通过离心过滤把具有触变性的浆料均匀涂在预制生坯上 ,就获得了均匀厚度 的坯体 ,通过进一步烧结 ,可得到多孔氮化硅陶瓷 。 [8] 2. 1. 5 冷冻干燥 将陶瓷浆料进行冷冻 , 使料浆中的溶剂固化结晶 ,浆料中的固相粉末在溶剂结晶体之间浓缩聚集 ,在干燥 过程中通过降压使固相冰直接升华排出气相 ,留下开放的多孔结构 , 经烧结可获得气孔率高于 90%的多孔陶 瓷 ,且气孔率可以在较大范围内调整。水基浆料的使用形成了该工艺的一个最大优势 ,就是与环境友好 。 2. 2 烧结法制备多孔氮化硅陶瓷 通过对原始粉料及烧结参数的控制 ,限制样品的收缩 ,可获得高 β相含量的氮化硅材料 ,同时具备高气 孔率和高性能的多孔氮化硅陶瓷 。这样制备出的多孔氮化硅陶瓷材料不需要添加造孔剂 ,简化了制备工艺 。 [ 12 ] 2. 2. 1 无压烧结法 以 α2Si3 N4 粉末为原料 ,加入少量烧结助剂进行液相烧结 ,通过烧结氮化硅由等轴晶变成具有一定长径 比的柱状晶 ,这些柱状晶阻止了材料的进一步致密 ,搭接在一起形成了不同结构的气孔 。 2. 2. 2 流延法 [2] Shigegaki等 采用 β2Si3 N4 晶须并添加烧结助剂作为起始粉末 , 通过流延法制备出了孔隙率为 14. 4%

  要综述了目前国内外多孔氮化硅的研究进展 ,以期促进我国多孔氮化硅的研究及应用 。

  材料的微观组织 ,包括气孔形态和基体组织 ,是影响多孔氮化硅陶瓷力学性能的最关键的因素之一 。

  化硅陶瓷 。与致密氮化硅材料相比 , 孔隙率为 14. 4%的多孔氮化硅在保持其强度的同时 , 弹性模量降低 (由 325 GPa降低至 246 GPa ) ,从而明显改善其应变失效容限 。 Kondo 等 [ 15, 16 ] 研究了这种具有定向排列的

  在 92% Si3 N4 6% Y2 O3 2% A l2 O3 体系中添 加玉米淀粉 ,通过将淀粉烧掉 ,制备了孔隙率为 0 ～25%的多 孔氮化硅陶瓷 (图 1 ) 。通过控制淀粉的体积分数 、 尺寸和几 何形状来控制孔隙率和孔结构 ,从而控制材料的最终性能 。

  对于陶瓷材料 , 可以使用的纤维包括有机纤维 、 金属丝 及棉线等 。使用有机纤维的最大问题是纤维在高温加热时 [5] 所产生的急剧裂解 。 Zhang等 用涂有陶瓷料浆的棉线进行 定向排列 , 干燥后烧掉棉线再进行烧结 , 制成了直通孔结构

  由于氮化硅陶瓷的难烧结性 ,多孔氮化硅的制备方法与多孔氧化物的制备方法有很大的不同 。按有无 造孔剂 ,多孔氮化硅陶瓷材料的制备方法大致可分为使用造孔剂和不使用造孔剂烧结两大类 。

  该工艺的特点是利用易挥发性物质在坯体中占据一定的空间 ,然后经排胶 、 烧结 ,来获得多孔陶瓷 。该 工艺的优点在于通过优化造孔剂形状 、 粒径和制备工艺条件能精确设计气孔的形状 、 尺寸和气孔率 。气孔尺 寸较大 ,有利于气相和液相的过滤 ,但其缺点是难以获得细小尺寸的气孔 ,排胶过程中产生的气体会对环境 造成一定的危害 。此工艺中常用的造孔剂和造孔方法如下所述 。

  多孔陶瓷材料是指经高温烧制而成 ,体内具有相通或闭合气孔的陶瓷材料 。因其具有优良的均匀透过 性 ,较低的热传导性 ,耐高温 ,抗腐蚀等性能 ,被广泛的应用于多个科学领域 ,引起材料界的高度关注 。人们 对多孔陶瓷的研究 ,主要集中在氧化物陶瓷 ,对多孔氮化硅陶瓷的研究相对较少 。高孔隙率的多孔氮化硅陶 瓷通常可以用作高温下的过滤器 、 催化剂载体等 。低气孔率的多孔氮化硅陶瓷 ,在维持高强度的同时 ,由于 气孔的存在造成弹性模量降低 ,从而与金属的弹性模量相匹配 ,降低了彼此间的热应力 ,因此可以用于高温 构件 。 在一些发达国家 ,尤其是日本 ,多孔氮化硅陶瓷已经得到应用 。 Kawai等 首先采用高纯 α2Si3 N4 粉为

  使用专门设计的模具 ,使热压烧结后的样品尺寸保持恒定 ,通过原始粉料的添加量来控制孔隙率 。这种 方法对制备多孔氮化硅陶瓷 ,尤其是低温烧结性能的陶瓷非常有用 。由于原料粉末和烧结参数均为恒定 ,通 过部分热压烧结得到的多孔氮化硅陶瓷显微组织不随孔隙率而改变 ,因此可以达到对孔隙率的控制 。 [ 14 ] 2. 2. 8 碳热还原法 以二氧化硅和碳粉为原料 ,用碳热还原法一步制备了多孔氮化硅块状陶瓷 。研究中使用的 SiO2 和碳的 成本很低 ,而且能得到高气孔率 、 高强度的多孔氮化硅陶瓷 ,可以克服 Si3 N4 粉末价格高的缺点 。因此用这 种方法制备的多孔氮化硅陶瓷有非常好的发展前途 。

  的多孔 A l2 O3 陶瓷 ,可以通过调整棉线直径和料浆浓度来控 制孔尺寸和孔隙率 。 [6] 2. 1. 3 有机晶须 把有机晶须加入起始粉末中 ,再加入分散剂和表面活性剂 ,均匀球磨 ,把制得的料浆注入石膏模中 ,制得 所需尺寸的试样 ,然后在空气中将晶须烧掉 。

  与传统的湿法成型工艺相比 ,该工艺具有设备简单 、 成型坯体组分均匀 、 密度均匀 、 缺陷少等突出优点 。 [ 10 ] 张雯等 采用凝胶注模成型工艺 ,利用了氮化硅水解放气的特点 ,制备出了较高固相量 ,又拥有非常良好稳定性 和流动性的氮化硅浓悬浮体 ,成功地制备了强度 150 M Pa,气孔率 50%的氮化硅多孔陶瓷 。 2. 2. 5 硅粉氮化法 以便宜的硅粉和碳粉作为起始粉末 ,通过氮气反应烧结法制备了氮化硅基多孔陶瓷材料。 2. 2. 6 烧结锻压法 [ 12 ] Kondo 等 用烧结锻压法制备了柱状晶定向排列的多孔氮化硅陶瓷 。步骤是 : 先进行常压烧结 , 在相 转变完成后 ,样品中几乎完全由柱状 β2Si3 N4 晶组成 。接着在逐渐升高的温度下施加单向压力 ,并控制压缩 量制得含有定向排列氮化硅晶粒的样品 。

  原料 ,研究了材料的相组成 、 组织架构与力学性能之间的关系 ,成功的制备了具有柱状晶的三维网络孔隙结 构的高强度多孔氮化硅陶瓷 。日本名古屋精细陶瓷研究组 Synergy陶瓷实验室和产业技术综合研究所联合 制备了高应变抗力的多孔氮化硅

  的研究报道较少 。西安交通大学先进陶瓷实验室首次通过碳热还原法一步制备了多孔氮化硅陶瓷 。本文主