[发明专利]一种氮化硅多孔陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷领域，具体涉及一种氮化硅多孔陶瓷及其制备方法。

背景技术

氮化硅多孔陶瓷是在研究氮化硅陶瓷和多孔陶瓷的基础上逐渐发展起来的一种新型陶瓷材料，它既具有氮化硅陶瓷的高强度、高韧性、耐高温、抗氧化、耐磨损及抗热震好等优点，又具有多孔材料密度小、化学稳定性好、几何表面积与体积比高、介电常数和介电损耗小等特性，是一种综合性能优异的结构与功能一体化材料，也是理想的高温过滤材料和催化载体材料。目前用于制备氮化硅多孔陶瓷的方法有反应烧结法、两步烧结法及碳热还原法等。

反应烧结法是以硅粉和成孔剂为原料，在氮气气氛下进行高压或常压烧结，制备得到多孔氮化硅陶瓷，但采用该方法会在多孔氮化硅中残留未反应的硅粉，从而影响材料的耐蚀性及耐热性。

两步烧结法以工业品为原料制备氮化硅多孔陶瓷，其将烧结工艺分为两步，即先在高温下合成高纯氮化硅粉体，再加入成孔物质进行二次成型烧结制备氮化硅多孔陶瓷，该方法中采用的源物质价格昂贵，合成过程复杂，二次成型的工艺繁琐，制备周期长，能耗高，且生产成本较高。

鲁元、陕绍云等以石英和碳粉为原料采用碳热还原法制备了氮化硅多孔陶瓷，该陶瓷材料具有较高的孔隙率（55-73%），且采用该方法可一步得到氮化硅多孔陶瓷，但采用该方法制备的氮化硅多孔陶瓷材料的抗弯强度较低（约30MPa），烧结温度较高（约1750℃）。课题组还在此基础上进一步加入硅粉，以碳热还原-反应烧结法制备了多孔氮化硅，但产品中仍残留少量硅粉。

综上，采用现有方法制备的氮化硅多孔陶瓷均存在一些缺陷，有些由于产品中存在未反应的硅粉导致陶瓷的耐蚀性及耐热性较差，有些产品抗弯强度较低，有些存在烧结温度较高、制备工艺复杂及生产成本较高的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种氮化硅多孔陶瓷，该氮化硅多孔陶瓷采用价格低廉的农业废弃物稻壳制备，产品烧结温度较低、制备工艺简单且生产成本较低。

本发明的另一目的在于提供一种氮化硅多孔陶瓷的制备方法。

本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的：

农业废料稻壳的元素组成主要为C、O、H和Si，杂质含量较低，其中Si以无定形态的SiO₂（天然矿物中的SiO₂几乎均为结晶完整、活性极低的SiO₂）形式存在，稻壳中的C主要以纤维与半纤维形式存在，本发明利用稻壳的上述性质采用一步成型碳热还原-常压烧结法制备氮化硅多孔陶瓷。

本发明提供一种氮化硅多孔陶瓷，其通过将反应原料进行烧结制成，所述反应原料包含：76-87重量份碳硅质前驱体、5-8重量份氮化硅及8-16重量份添加剂，其中所述碳硅质前驱体通过对稻壳进行碳化制成。

进一步地，所述反应原料包含：

76重量份碳硅质前驱体、8重量份氮化硅及16重量份添加剂。

进一步地，所述碳硅质前驱体中C与SiO₂的重量比为1.2-1.5，优选1.5；

优选地，所述碳硅质前驱体的中位粒径小于2.0μm；

优选地，所述添加剂包括有助于氮化硅形成的催化剂及烧结助剂；

优选地，所述添加剂选自由Fe₂O₃、NaF、Y₂O₃、Al₂O₃、MgO或CeO₂组成的组中的两种或三种物质；优选地，所述反应原料中，每种添加剂的量为3-10重量份；

优选地，所述氮化硅为α-氮化硅，中位粒径小于0.5μm。

进一步地，所述反应原料进一步包括研磨介质，所述研磨介质优选无水乙醇；

优选地，所述碳硅质前驱体、氮化硅及添加剂的总重量与无水乙醇的重量比为1：1.5。

进一步地，所述反应原料进一步包括聚乙烯醇溶液；

优选地，所述聚乙烯醇溶液的浓度为5%（重量比）。

进一步地，所述碳硅质前驱体采用以下方法制备：采用体积分数为10%的盐酸溶液浸泡并沸煮稻壳，烘干后，在540℃下进行碳化1-3.4h，粉磨1h，得到碳硅质前驱体。

本发明进一步提供上述氮化硅多孔陶瓷的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤a：将碳硅质前驱体、氮化硅及添加剂进行混合，研磨造粒，得到混合料；

步骤b：将混合料模压成型得到坯体；