专利名称：一种多孔β-SiAlON 陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种多孔陶瓷材料的制备方法。
背景技术：
随着技术的发展，飞行器飞行速度的提高，对各类航天飞行器天线罩的性能提出了更高的要求，无机材料的高温强度和介电性能赋予其在高速导弹中应用中足够的竞争力，使它在马赫数为3左右的防空导弹上曾得到广泛的应用。Si3N4陶瓷以其优良的室温和高温力学性能、良好的抗热震性，成为了引人注目的天线罩材料，通过控制氮化硅的气孔率从而获得各种不同密度、不同介电常数的类泡沫氮化硅，可用以制造耐高温高达1600°C、宽带、地瞄准误差的导弹天线罩。SiAlON陶瓷为Si3N4陶瓷固溶体，SiAlON陶瓷吸收烧结过程的液相组分，进入到它的结构中，从而减少了晶间相的含量，净化了晶界，从而提高材料的 高温性能。胶态成型通常用于制备复杂形状的陶瓷材料，主要包括流延成型、注射成型、凝胶注模成型和冷凝成型。在这些胶态成型技术中，冷凝成型技术工艺比较简单。把陶瓷浆料(通常为水基)，在相对低的温度下，如_40°C让其凝固在无孔德模具里，脱模后让溶剂升华即冷冻干燥得到陶瓷坯体。最后通过烧结获得具有致密孔壁的陶瓷材料，期中气孔的形成是所用溶剂晶体形态的复制。该工艺有很多优点，例如制造周期短，干燥过程无裂纹出现，避免除去交联剂而带来的麻烦。但是在冷凝的过程中和冷冻干燥的过程中需要保持温度低于0°C。冷凝成型工艺的一个重要组成部分就是浆料的制备。由于浆料制备过程选用的不同溶剂结晶后具有不同结晶形态，通过溶剂的选择从而可以制备出不同孔结构的多孔陶瓷。但是对于其溶剂的选择需要满足以下几个条件适当的凝固条件；具有比较低的粘度；在固态时需要有较高的饱和蒸汽压。现有的多孔β -SiAlON陶瓷采用部分烧结法制备而成，这种方法制备得到的多孔β -SiAlON陶瓷孔结构分布不均匀，且不能控制孔隙率的问题。
发明内容
本发明的目的是要解决现有采用部分烧结法制备得到的多孔β -SiAlON陶瓷存在孔结构分布不均匀，且不能控制孔隙率的问题，而提供一种多孔β-SiAlON陶瓷的制备方法。一种多孔β-SiAlON陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的一、准备材料依照化学式Si6_zAlz0zN8_z,按Si元素、Al元素、O元素与N元素摩尔比为6_z:z:z:8_z的比例称取Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末；步骤一中所述的化学式Si6_zAlz0zN8_z中z为I、
2、3或5 ;二、制备混合粉末首先以Si3N4球为磨球，以无水乙醇为球磨介质，将步骤一称取的Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末进行球磨湿混18tT22h，烘干过200目筛后得到混合粉末；步骤二中所述的Si3N4球质量与Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末总质量的比为(O. 9^1. I) : I ;步骤二中所述的无水乙醇体积与Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末总质量的比为(ImLlmL) : Ig ;三、制备崁烯-β-SiAlON浆料首先将崁烯、分散剂和混合粉末置于球磨罐中，然后在温度为55°C 65°C下球磨12tT24h，即得到均匀稳定的崁烯-β-SiAlON浆料；步骤三中所述的分散剂与混合粉末的质量比为(O. 5 1):1，步骤三中所述的崁烯与混合粉末的体积比为(I. 5、)1 ;四、冷凝首先在温度为55°C 65°C下对聚乙烯模具预热20mirT40min,然后将步骤三得到的均勻稳定的炭烯-β -SiAlON衆料倒入预热好的聚乙烯模具中，再转移至制冷装置中，采用冷源进行冷凝，冷凝至完全凝固为止，得到凝固的崁烯-β -SiAlON ;五、干燥将步骤四得到凝固的崁烯-β -SiAlON置于温度为20°C "25°C空冷干燥40tT56h，或者将步骤四得到凝固的崁烯-β -SiAlON置于冷冻干燥机中，在温度为-1°C 1°C下干燥40tT56h，即得到干燥后崁烯-β-SiAlON;六、无压烧结将步骤五得到的干燥后崁烯-β -SiAlON放入石墨坩埚中，采用按BN粉末与Si3N4粉末体积比(O. 9^1. I) : I混合得到的BN/Si3N4混粉进行埋粉，埋粉厚度为8mnTl2mm，然后在N2保护下以升温速率为20°C /min从室温升温至1800°C 1900°C，并继续在温度为1800°C 1900°C和N2保护条件下烧结ltT2h，即得到多孔β -SiAlON陶瓷。
本发明优点一、本发明采用崁烯代替传统的水作为溶剂，解决了 AlN原料遇水发生水解的问题；二、本发明采用冷凝成型技术制备出了多孔β-SiAlON陶瓷材料，突破了传统工艺在制备复杂构件和苛刻干燥条件都局限，通过控制固相含量(即崁烯与混合粉末的体积比，混合粉末为Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末混合物)达到控制孔隙率的目的，制备出了不同孔隙率的高强度的β-SiAlON多孔陶瓷材料，孔隙率为36°/Γ71%，在孔隙率为36%时陶瓷材料的抗弯强度为306MPa ;三、本发明通过调节浆料的固相含量，可得到不同气孔率的β -SiAlON多孔陶瓷材料，介电常数为3. 5^5. 6，远小于致密的氮化硅基陶瓷的介电常数，满足实际应用中对介电性能的要求。
图I是试验一制备的多孔β-SiAlON陶瓷XRD图；图2是试验一制备的多孔β -SiAlON 陶瓷 2000 倍的 SEM 图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式是一种多孔β -SiAlON陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的一、准备材料依照化学式Si6_zAlz0zN8_z，按Si元素、Al元素、O元素与N元素摩尔比为6-z:z:z:8-z的比例称取Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末；二、制备混合粉末首先以Si3N4球为磨球，以无水乙醇为球磨介质，将步骤一称取的Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末进行球磨湿混18tT22h，烘干过200目筛后得到混合粉末；三、制备崁烯_β-SiAlON浆料首先将崁烯、分散剂和混合粉末置于球磨罐中，然后在温度为55°C 65°C下球磨12tT24h，即得到均匀稳定的崁烯_β-SiAlON浆料；四、冷凝首先在温度为55°C 65°C下对聚乙烯模具预热20mirT40min，然后将步骤三得到的均匀稳定的崁烯-β-SiAlON浆料倒入预热好的聚乙烯模具中，再转移至制冷装置中，采用冷源进行冷凝，冷凝至完全凝固为止，得到凝固的崁烯-β-SiAlON;五、干燥将步骤四得到凝固的崁烯-β-SiAlON置于温度为20°C 25°C空冷干燥40tT56h，或者将步骤四得到凝固的崁烯-β -SiAlON置于冷冻干燥机中，在温度为-1°C 1°C下干燥40tT56h，即得到干燥后崁烯-β -SiAlON ;六、无压烧结将步骤五得到的干燥后崁烯-β -SiAlON放入石墨坩埚中，采用按BN粉末与Si3N4粉末体积比(O. 9^1. I) : I混合得到的BN/Si3N4混粉进行埋粉，埋粉厚度为8mnTl2mm，然后在N2保护下以升温速率为20°C /min从室温升温至1800°C "1900°C，并继续在温度为1800°C 1900°C和N2保护条件下烧结ltT2h，即得到多孔β -SiAlON陶瓷。本实施方式步骤一中所述的化学式为Si6_zAlz0zN8_z中z为1、2、3或5。本实施方式步骤二中所述的Si3N4球质量与Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末总质量的比为(O. 9^1. I) :1 ;本实施方式步骤二中所述的无水乙醇体积与Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末总质量的比为(ImLlmL) : Ig ；本实施方式步骤三中所述的分散剂与混合粉末的质量比为(O. 5^1) : I ;本实施方式步骤三中所述的崁烯与混合粉末的体积比为(15、) I。本实施方式采用崁烯代替传统的水作为溶剂，解决了 AlN原料遇水发生水解的问 题。本实施方式采用冷凝成型技术制备出了多孔β-SiAlON陶瓷，突破了传统工艺在制备复杂构件和苛刻干燥条件都局限，通过控制固相含量(即崁烯与混合粉末的体积比，混合粉末为Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末混合物)达到控制孔隙率的目的，制备出了不同孔隙率的高强度的β -SiAlON多孔陶瓷材料，孔隙率为36°/Γ71%，在孔隙率为36%时陶瓷材料的抗弯强度为306MPa。本实施方式通过调节浆料的固相含量，可得到不同气孔率的多孔β-SiAlON陶瓷，介电常数为3. 5^5. 6，远小于致密的氮化硅基陶瓷的介电常数，满足实际应用中对介电性能的要求。在冷凝过程中，通过控制浆料的冷却速率而得到孔隙率分布均匀的β -SiAlON陶瓷。本实施方式选择在温度为20°C 25°C空冷干燥是因为在33°C下崁烯会部分融化，发生再结晶现象，因此导致坯体孔径的增大，造成孔径分布不均的现象，而且20°C 25V为室温，不需要其他冷冻设备便可达到的温度，更容易实现，且降低制备成本。本实施方式选择置于冷冻干燥机中在温度为-1°C 1°C下干燥是因为在-1°C 1°C下崁烯不会再结晶，而且冷冻干燥机是可以提供真空环境，使崁烯更快的挥发完全，减少干燥时间。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤三中所述的分散剂为德谦923S润湿分散剂。其他与具体实施方式
一相同。本实施方式所述的德谦923S润湿分散剂瑟吉欧电中性聚羧酸胺盐与改性聚硅氧烷的混合物，由广州锦鸿化工有限公司代理经营，该分散剂适用于崁烯为溶剂的β -SiAlON原始粉末的浆料，可提高其浆料稳定性和浆料固相含量，所以本实施方式选择该德谦923S润湿分散剂最为本实施方式的分散剂。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二之一不同点是步骤四中所述的冷源为冰水、温度为_60°C _30°C的酒精或温度为_185°C _180°C的液氮。其他与具体实施方式
一或二相同。采用下述试验验证本发明效果
试验一一种多孔β-SiAlON陶瓷的制备方法，具体是按以下步骤完成的一、准备材料依照化学式Si3Al3O3N5,按Si元素、Al元素、O元素与N元素摩尔比为3:3:3:5的比例称取Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末；二、制备混合粉末首先以Si3N4球为磨球，以无水乙醇为球磨介质，将步骤一称取的Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末进行球磨湿混20h，烘干过200目筛后得到混合粉末；三、制备崁烯-β -SiAlON浆料首先将崁烯、分散剂和混合粉末置于球磨罐中，然后在温度为60°C下球磨18h，即得到均匀稳定的崁烯-β -SiAlON浆料；四、冷凝首先在温度为60°C下对聚乙烯模具预热30min，然后将步骤三得到的均匀稳定的崁烯-β -SiAlON浆料倒入预热好的聚乙烯模具中，再转移至制冷装置中，以冰水为冷源进行冷凝，冷凝至完全凝固为止，得到凝固的崁烯-β-SiAlON;五、干燥将步骤四得到凝固的崁烯-β -SiAlON置于温度为22°C空冷干燥48h，即得到干燥后崁烯-β -SiAlON ;六、无压烧结将步骤五得到的干燥后崁烯-SiAlON放入石墨坩埚中，采用按BN粉末与Si3N4粉末体积比I: I混合得到的BN/Si3N4混粉进行埋粉，埋粉厚度为10mm，然后在N2保护下以升温速率为20°C /min从室温升温至1800°C，并继续在温度为1800°C和N2保护条件下烧结I. 5h,即得到多孔β -SiAlON陶瓷。
本试验步骤三中所述的分散剂与混合粉末的质量比为1:1 ;本试验步骤二中所述的Si3N4球质量与Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末总质量的比为I: I ;本试验步骤二中所述的无水乙醇体积与Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末总质量的比为I. 5mL: Ig ;本试验步骤三中所述的崁烯与混合粉末的体积比为7:3。采用X射线衍射仪观察本试验制备的多孔β -SiAlON陶瓷，如图I所示，图I是本试验制备的多孔β -SiAlON陶瓷XRD图，通过图I给出的就是XRD测试结果，分析可知物相为β-SiAlON，确定本试验制备的多孔β-SiAlON陶瓷为存在β-SiAlON物相的多孔陶瓷，说明气孔率对β -SiAlON物相的生成没有影响。采用扫描电子显微镜观察本试验制备的多孔β -SiAlON陶瓷，如图2所示，图2是本试验制备的多孔β -SiAlON陶瓷2000倍的SEM图，通过图2可以看出孔均匀分布在基体中，孔壁基本完全致密且由长棒状的β -SiAlON晶粒组成。通过检测可知本试验制备的多孔β -SiAlON陶瓷孔隙率为36%，抗弯强度为306MPa。
权利要求
1.一种多孔P-SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于多孔P-SiAlON陶瓷的制备方法是按以下步骤完成的一、准备材料依照化学式Si6_zAlz0zN8_z，按Si元素、Al元素、0元素与N元素摩尔比为6-z: z: z: 8-z的比例称取Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末；步骤一中所述的化学式Si6_zAlz0zN8_z中z为1、2、3或5 ;二、制备混合粉末首先以Si3N4球为磨球，以无水乙醇为球磨介质，将步骤一称取的Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末进行球磨湿混18tT22h，烘干过200目筛后得到混合粉末；步骤二中所述的Si3N4球质量与Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末总质量的比为(0. 9^1. I) : I ;步骤二中所述的无水乙醇体积与Si3N4粉末、Al2O3粉末和AlN粉末总质量的比为(ImLlmL) : Ig ;三、制备崁烯-P-SiAlON浆料首先将崁烯、分散剂和混合粉末置于球磨罐中，然后在温度为55°C 65°C下球磨12tT24h，即得到均匀稳定的崁烯-P -SiAlON浆料；步骤三中所述的分散剂与混合粉末的质量比为(0. 5^1) : 1，步骤三中所述的崁烯与混合粉末的体积比为(15、) I ;四、冷凝首先在温度为55°C飞5°C下对聚乙烯模具预热20mirT40min,然后将步骤三得到的均勻稳定的炭烯-SiAlON楽;料倒入预热好的聚乙烯模具中，再转移至制冷装置中，采用冷源进行冷凝，冷凝至完全凝固为止，得到凝固的崁烯-P-SiAlON ;五、干燥将步骤四得到凝固的崁烯-P-SiAlON置于温度为200C 25°C空冷干燥40h 56h，或者将步骤四得到凝固的崁烯-P -SiAlON置于冷冻干燥机中，在温度为-1°C 11下干燥4011 5611，即得到干燥后崁烯-3-5141(^;六、无压烧结将步骤五得到的干燥后崁烯-P -SiAlON放入石墨坩埚中，采用按BN粉末与Si3N4粉末体积比(0. 9 I. I) : I混合得到的BN/Si3N4混粉进行埋粉，埋粉厚度为8mm 12mm，然后在N2保护下以升温速率为20°C /min从室温升温至1800°C 1900°C，并继续在温度为1800°C 1900°C和N2保护条件下烧结lhlh，即得到多孔P -SiAlON陶瓷。
2.根据权利要求I所述的一种多孔P-SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于步骤三中所述的分散剂为德谦923S润湿分散剂。
3.根据权利要求I或2所述的一种多孔P-SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于步骤四中所述的冷源为冰水、温度为_60°C _30°C的酒精或温度为-185°C _180°C的液氮。
全文摘要
一种多孔β-SiAlON陶瓷的制备方法，它涉及一种多孔陶瓷材料的制备方法。本发明的目的是要解决现有采用部分烧结法制备得到的多孔β-SiAlON陶瓷存在孔结构分布不均匀，且不能控制孔隙率的问题。方法一、依照化学式Si6-zAlzOzN8-z准备材料；二、球磨混合得到混合粉末；三、采用崁烯、分散剂和混合粉末球磨得到均匀稳定的崁烯-β-SiAlON浆料；四、冷凝得到凝固的崁烯-β-SiAlON；五、经干燥得到干燥后崁烯-β-SiAlON；六、无压烧结得到多孔β-SiAlON陶瓷。本发明主要用于制备多孔β-SiAlON陶瓷。
文档编号C04B35/622GK102807373SQ20121034125
公开日2012年12月5日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者叶枫, 侯赵平, 刘强, 刘利盟, 张海礁 申请人:哈尔滨工业大学