[发明专利]一种叔丁醇基凝胶注模法制备Si3N4 多孔陶瓷的成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种叔丁醇基(TBA)凝胶注模法制备Si₃N₄多孔陶瓷的工艺，属于多孔陶瓷领域。

背景技术

多孔陶瓷是以气相为主相的一类陶瓷材料，相比于其它多孔材料具有耐高温、耐腐蚀和抗热震性能优良的优点，在冶金、化工、生物、航空航天等领域具有广阔的应用前景。世界各国都已投入大量的人力、物力、财力用于此类材料的研究，并且取得了较大进展。

氮化硅陶瓷是结构陶瓷中综合性能最好的材料之一。除了具有普通陶瓷材料高强度，高弹性模量，耐高温，耐腐蚀等优点外，还具有介电常数低、介电损耗小、高频介电性能稳定等优点，逐渐成为航天、航空材料研究领域中的热点之一。

多孔陶瓷的特点是有大量气孔，所以其制备的关键与难点就是形成多孔结构。常见多孔陶瓷的制备工艺有：挤出成型法，添加造孔剂法，溶胶-凝胶法，冷冻干燥法，反应烧结法，凝胶注模成型法等。

凝胶注模成型法是1992年美国橡树岭实验室研制的一种新型陶瓷成型工艺，该工艺利用浆料内部少量添加剂(单体和交联剂)的化学反应作用从而使陶瓷浆料原位凝固形成坯体，获得具有良好微观均匀性的素坯，从而显著提高材料的可靠性。这种方法具有成本低，设备简单，气孔均匀，最大的优点是可以成型复杂形状。目前水基凝胶注模成型工艺已经基本成熟，但水基凝胶注模成型过程中，由于水的表面张力大，坯体在干燥过程中产生的收缩大，因而容易开裂；此外水的饱和蒸汽压小，不容易挥发，所以干燥时间很长，而且干燥的环境要求也比较苛刻，需要在低温高湿环境中长时间干燥。

与水相比，叔丁醇(TBA)的表面张力小，饱和蒸汽压大，可以有效缓解水基凝胶注模过程中，坯体干燥变形、开裂的问题，并可以有效缩短干燥时间。到目前为止只有清华大学新型陶瓷和精细工艺国家重点实验室采用TBA为溶剂制备氧化铝和氧化锆。文献Ceramics With Ultra-Low Density Fabricated by Gel-casting：An Unconventional Vie(Ruifeng Chen，Yong Huang etc，J.Am.Ceram.Soc.90[11]3424-3429(2007))，制备了体积分数为5-15％的Al₂O₃陶瓷，其中气孔率60％-92％，强度为10-50Mpa；文献Porous yttria stabilized zirconia ceramics with ultra-low thermal  conductivity(Liang Fa Hu，Chang An Wang，Yong Huang，J Mater Sci(2010)45：3242-3246)中以TBA为溶剂，用凝胶注模成型法制备了高气孔率(52-76％)，且孔径分布均匀(0.7-1.8μm)的ZrO₂陶瓷，上述报道均是用TBA基凝胶注模法制备氧化物陶瓷，而氧化物陶瓷的成型性能比较好，但是氧化物陶瓷制品的强度比较低。

目前，还没有检索到以TBA为溶剂，采用凝胶注模法制备多孔Si₃N₄陶瓷的文献和公开发明专利。

发明内容

本发明的目的在于寻找一种新型溶剂代替水，采用凝胶注模法来制备高性能高气孔率(40-75％)、高强度(40-140Mpa)氮化硅多孔陶瓷。本发明的目的是通过下述工艺过程实现的：

(1)按5-30％的单体丙烯酰胺(AM)、1-6％交联剂氮-氮亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)、1-5％分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和40-80％叔丁醇混合，制备预混液，在预混液中加入20-60％氮化硅粉体和3-10％烧结助剂(Al₂O₃；Y₂O₃)，球磨8-24h后制得浆料。

(2)浆料经过真空除气然后加入2-10％的引发剂(过硫酸铵)，1-5％的催化剂(四甲基乙二胺)后，再真空除气20s，注模，在30-65℃水浴中成型。60min后脱模，在室温通风环境下干燥24小时得到干燥坯体。

(3)将干燥坯体在空气炉中缓慢排胶，最高排胶温度为560℃，升温速率为0.2℃/min；最后在低于1200℃采用真空烧结；高于1200℃采用气压烧结，最终烧结温度为1650-1800℃，保温时间0.5-3小时，烧结气氛为氮气。

(4)本发明的特征在于利用TBA的表面张力小和饱和蒸汽压高的特性，解决了水基凝胶注模成型工艺中坯体干燥过程中耗时长且容易开裂的缺点，简化了干燥工艺过程，提高了效率和成功率。