[发明专利]氮化硅-碳化硅复相多孔陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮化硅‑碳化硅复相多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)以硅粉和酚醛树脂粉末为主要原料，制备陶瓷素坯；(2)将步骤(1)所得的陶瓷素坯在惰性保护气氛下进行碳化，使酚醛树脂形成热解碳，得到碳化后的坯体；(3)将步骤(2)所得的碳化后的坯体在含氮气气氛下进行氮化，使氮气与一部分硅粉反应生成氮化硅，同时使热解碳与另一部分硅粉反应生成碳化硅，得到氮化硅‑碳化硅复相多孔陶瓷。该氮化硅‑碳化硅复相多孔陶瓷的制备方法能有效提高硅粉在低温阶段的氮化效率，从而降低硅粉氮化过程中的升温工艺控制难度，避免析硅现象产生。

技术领域

本发明属于复相陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种氮化硅-碳化硅复相多孔陶瓷的制备方法。

背景技术

氮化硅-碳化硅多孔陶瓷因兼具氮化陶瓷和碳化硅的高比强度、高比模量、高热导率、耐高温、抗热震等优良性能以及多孔陶瓷的功能特性，正日益成为多孔陶瓷领域的一个研究热点。就氮化硅-碳化硅多孔陶瓷的制备方法而言，传统多孔陶瓷制备方法，如添加造孔剂法、发泡法等，均可用于制备氮化硅-碳化硅多孔陶瓷。氮化硅-碳化硅多孔陶瓷制备时既可以选用氮化硅粉作为原料，又可使用硅粉作为原料。相比较而言，采用硅粉作为原料能够大幅度降低生产成本，而且硅粉氮化过程中收缩较小，能够实现氮化硅制品的净近成型，适合制备复杂形状的氮化硅陶瓷构件。

采用硅粉氮化的工艺虽然可以有效降低生产成本，但是其工艺控制难度较高。一般而言，硅粉与氮气在低温段反应速率较慢，在接近硅熔点(～1412℃)附近反应较快。相关理论计算表明：粒径为4μm的硅颗粒在1370℃需要氮化100h才能达到95％的氮化率。随着硅粉粒径的增加，硅粉的氮化速率降低。因而，采用硅粉氮化工艺制备氮化硅陶瓷过程中，硅粉的氮化一般集中控制在其熔点附近及以上。然而由于硅与氮气的反应是放热的，当在硅熔点及以上氮化时，反应放出的热量容易导致坯体局部过热，从而导致析硅现象的产生，最终影响到制品的性能。实际生产中，为了避免出现析硅现象，常用的技术手段主要包括两个方面：(1)在硅的熔点以下长时间保温，利用延长时间来提高氮化率；(2)在硅的熔点附近将升温速率控制在较低的水平，利用较低的升温速率来减缓硅熔点附近的反应速率，从而避免因集中反应而导致出现析硅现象。然而，无论采用哪一中手段，这都必将导致氮化时间较长，氮化效率较低。表1汇总了部分参考文献中硅粉的氮化升温速率，可以发现硅粉的氮化一般都需要数十小时以上。硅粉氮化过程中耗时巨大正日益成为硅粉氮化制备氮化硅陶瓷这一工艺的发展瓶颈，导致硅粉氮化这一工艺在生产氮化硅陶瓷方面效率低下、成本高昂。因而，提高硅粉氮化效率，缩短硅粉氮化时间对氮化硅陶瓷的实践生产而言意义重大。

表1文献中不同粒径硅粉氮化升温制度及对应氮化率

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能有效提高硅粉在低温阶段的氮化效率，从而降低硅粉氮化过程中的升温工艺控制难度，避免析硅现象产生的氮化硅-碳化硅复相多孔陶瓷的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种氮化硅-碳化硅复相多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)以硅粉和酚醛树脂粉末为主要原料，制备陶瓷素坯；

(2)将步骤(1)所得的陶瓷素坯在惰性保护气氛下进行碳化，使酚醛树脂形成热解碳，得到碳化后的坯体；

(3)将步骤(2)所得的碳化后的坯体在含氮气气氛下进行氮化，使氮气与一部分硅粉反应生成氮化硅，同时使热解碳与另一部分硅粉反应生成碳化硅，得到氮化硅-碳化硅复相多孔陶瓷。