[发明专利]一种低成本氮化硅蜂窝陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体地，涉及一种具有“孔道内壁伸展晶须”结构的氮化硅蜂窝陶瓷的制备方法。

背景技术

蜂窝陶瓷具有平行贯通的孔隙结构，具有渗透压高、几何表面大、扩散距离短、有利于颗粒的计入和气体排出并缩小过滤体积等优点，在工业废气、机动车尾气及其他生活废气的过滤净化、冶金工业的热交换和金属液的过滤、采矿业的有毒气体和液体的净化处理等方面有着广泛的应用。

为提高蜂窝陶瓷的工作效率，提高蜂窝陶瓷的孔密度是现阶段制备工艺努力的主要方向。美国Corning公司采用挤出成型工艺制备的最新的蜂窝陶瓷产品在1个平方英寸的横截面上最多1200个通孔，是目前已知该方法所能制备蜂窝陶瓷孔径的极限。但由于该方法的最大问题是材料孔径受模具的制备限制，因此进一步缩小孔径十分困难，难以制备孔径在几十微米量级的蜂窝材料，成为蜂窝陶瓷制备的一个瓶颈问题。即使能进一步降低蜂窝陶瓷的孔径降低至微米量级，其孔径的缩小必将导致气体通过阻力的骤然增加，从而降低过滤效率。即，依靠单一的蜂窝结构难以解决微细颗粒过滤所要求的小孔径而同时保持气流畅通这一矛盾。

晶须是在人工控制条件下合成的一种高强度胡须状的单晶体，其晶体结构比较完整，内部缺陷少，其强度和模量均接近理想晶体。因此，晶须常作为增强组元加入到金属基、陶瓷基和高分子基中其增强增韧的作用。最常见的晶须有Si₃N₄、SiC、Al₂O₃等。然而目前关于晶须的研究主要集中在晶须的制备及其对基体增强增韧效果上，关于晶须在其他用途上的研究鲜有报道。在晶须的制备研究中，有报道指出利用孔洞可原位生长晶须，如专利CN102251284A(一种制备β-氮化硅晶须的方法)，以及文章（吉晓莉，徐飞，力国民，万伟伟，原位合成莫来石晶须增强氮化硅泡沫陶瓷，中国粉体技术，2011,17(3):33-36）及文章（吕臣敬，田秀淑，韩玉芳，原位合成含有Al₂O₃晶须Al₂O₃/Ti-Al复合材料机理的研究，），然而，前者关注于晶须的制备，后两者关注于晶须对基体或泡沫基体的增强效果。同时，以上文献所制备的多孔坯体及部件内的孔洞为闭孔，难以用于过滤。

如何克服传统蜂窝陶瓷工作效率对孔径及单位面积孔数的依赖，进而增加陶瓷对细微颗粒的过滤，并保证流体的畅通，是目前蜂窝陶瓷过滤及净化领域对陶瓷结构的新要求。

发明内容

本发明提供了一种氮化硅蜂窝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

1）制备具有平行孔道的蜂窝坯体并干燥；

2）对干燥后的坯体进行有机物的排除；

3）煅烧蜂窝坯体，得到基体部分颗粒结合紧密，孔洞内壁伸展有晶须的氮化硅蜂窝陶瓷；

所述步骤1）是以硅粉为原料，以氮化硅粉体为晶种和稀释剂，加入助烧剂、分散剂、成型介质、去离子水混合后，制备具有平行孔道的氮化硅蜂窝坯体。

分散剂主要用于凝胶注模成型工艺、直接凝固成型等胶态成型工艺，本发明并不依赖于特定的分散剂，只要分散剂可以使得陶瓷粉料在酱料中适当分散即可。一些可以使用的分散剂的例子是聚丙烯酸铵、四甲基氢氧化铵、柠檬酸铵、聚甲基丙烯酸铵等。

根据不同的成型方法，选用相应的成型介质。挤出成型法一般选用水、聚乙烯醇、聚羟基乙醇酸等作为成型介质。凝胶注模成型选用水基丙烯酰胺聚合体系为成型介质，其中单体为丙烯酰胺，交联剂为N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂为8%过硫酸铵溶液，催化剂为N,N,N′,N′-四甲基乙二胺。直接凝固成型选用尿素和尿素酶为成型介质。

本发明所涉及的原料氮化硅粉体、Si源、C源、助烧剂粉体以及分散剂、成型介质等添加剂均为普通商业粉体，其纯度为商业级别，但可以进一步根据对产品纯度的要求进行调整，亦可采用分析纯等级别试剂。

本发明所涉及的原料氮化硅粉体、Si源、C源、助烧剂粉体以及分散剂、成型介质等的粉体粒度越小越有利于烧结，优选2.0μm以下粉体，但不限于此范围。

根据不同的成型方法，添加剂如分散剂、成型介质等可以有所不同，坯体的固相含量也会有所不同。

步骤1）中具有平行孔道的蜂窝坯体采用挤出成型法制备，或，步骤1）中蜂窝坯体采用干压法、凝胶注模成型法或直接凝固成型法先制备出素坯，然后采用机械成孔法制得具有平行孔道的蜂窝坯体。