[发明专利]一种多孔氮化硅陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，特别涉及一种大尺寸、高性能多孔氮化硅陶瓷的制备方法。

背景技术

随着军事技术的发展，飞行器、导弹的飞行速度和打击精度都越来越高，同时，在高超音速飞行时由于气动加热可使导弹的瞬时升温速率达120℃/s。飞行器、导弹的天线罩首当其冲，要求所选用的材料必须要能够承受3-6马赫以上的飞行速度以及耐受较高气动加热带来的温度，因此对于导弹天线罩所用材料提出了更高的要求。由于多孔氮化硅陶瓷材料能够耐高温且具有良好的热震稳定性，同时还具有高强度、高的孔隙率、低的介电常数和介电损耗、耐磨损、耐腐蚀、抗雨蚀、稳定性好等特点，因此多孔氮化硅陶瓷越发成为最有希望的导弹天线罩材料。

多孔陶瓷的首要特点就是多孔，常用的制备多孔陶瓷的方法有：挤出成型法，颗粒堆积法，添加造孔剂法，发泡法，溶胶-凝胶法，冷冻干燥法，反应烧结法，凝胶注模成型等，其中添加造孔剂技术是制备多孔陶瓷的一种重要工艺技术。然而现在这些方法制备的多孔陶瓷要么孔径大小不一、气孔分布不均匀，要么强度不够高、介电常数及介电损耗低，而且很难成型大尺寸的陶瓷部件，难以满足高马赫数下高温环境应用的要求。。

而现有的凝胶注模成型方法制备多孔陶瓷，干燥条件苛刻，且排胶时间长，工艺复杂，生产效率低，生产成本高，且性能不够高，难以满足现代化航空、航天工业的应用。专利ZL201110181203.1（王红洁；李刘媛；乔冠军；杨建锋，一种叔丁醇基凝胶注模法制备Si₃N₄多孔陶瓷的成型方法）公开了一种非水基的凝胶注模制备多孔氮化硅陶瓷的方法，由于溶剂叔丁醇也是有机物，在排胶和烧结过程中会排除试样，从而导致孔隙率难以控制，且其制备的多孔氮化硅陶瓷孔隙率介于40-75%之间，强度为40-140MPa。

专利ZL200910021515.9（王红洁；余娟丽；张健等，一种利用凝胶注模法制备氮化硅多孔陶瓷的方法）公开了一种凝胶注模制备多孔氮化硅陶瓷的方法，其工艺比较复杂，干燥过程需要在25℃、98%的湿度环境下干燥，排胶过程缓慢，需要40个小时，且只能制备出49%-63%孔隙率、弯曲强度为54-234MPa的多孔氮化硅陶瓷。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种更为快速、简单的大尺寸、高性能多孔氮化硅陶瓷的制备方法。

技术方案：本发明提供的一种多孔氮化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)凝胶的制备：将1～3重量份的增塑剂、5～30重量份的丙烯酰胺单体、1～8重量份的交联剂与100重量份的去离子水混合，制备预混液；在预混液中加入0.5-1重量份的分散剂、20～160重量份的氮化硅粉体和2～15重量份的烧结助剂，调pH至8～12，球磨2～15h，得凝胶；

(2)坯体的成型：凝胶经过真空除气，加入0.05～2重量份的引发剂和0.5～1重量份的催化剂，再次真空除气后注模成型，室温反应20～70分钟后凝胶交联固化后脱模；

(3)坯体的干燥：将脱模后的坯体于室温下自然干燥10～15天；

(4)坯体的排胶：坯体在箱式电阻炉中升温排胶；在排胶过程中，从室温至150℃，升温速率为0.5～1℃/min；从150℃～600℃，升温速率为0.2～0.5℃/min；并分别在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃各保温一个小时；

(5)坯体的烧结：排胶后的坯体在常压氮气氛中烧结，从室温以5～15℃/min的速率升温至1750℃，保温1-3h后随炉冷却，即得。

步骤（1）中，所述增塑剂为聚丙烯酰胺（(C₃H₅NO)n），优选平均分子量为大于3000000的聚丙烯酰胺。

步骤（1）中，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。

步骤（1）中，所述分散剂为聚丙烯酸铵（[C₃H₃O₂NH₄]n），优选平均分子量为3000-5000的聚丙烯酸铵。

步骤（1）中，所述烧结助剂为氧化钇和氧化铝的混合物，所述氧化钇和氧化铝的质量比为(2～3):1。

步骤（2）中，所述引发剂为过硫酸铵，催化剂为N,N,N,N-四甲基乙二胺。