一種擠壓莰烯/氮化硅冷凍坯體制備定向多孔氮化硅陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多孔氮化硅陶瓷領(lǐng)域，尤其是涉及一種擠壓莰烯/氮化硅冷凍坯體制 備定向多孔氮化硅陶瓷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 定向多孔材料，因?yàn)榫哂袀鹘y(tǒng)材料沒有的功能性，近些年來受到各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注。 其中，將液態(tài)陶瓷漿料冷凍，使其沿著冷凍方向定向生長"冰晶"，之后將"冰晶"去除，是目 前制備定向多孔材料的一種最有效的方法。目前已有報(bào)道利用水、莰烯、叔丁醇等冷凍干燥 成功制備出定向多孔氧化鋁、碳化硅材料。和傳統(tǒng)的冷凍干燥技術(shù)不同的是，基于莰烯的冷 凍坯體的塑性和流變性能，在冷凍并熱處理后通過擠壓變形和拉長可進(jìn)一步提高孔結(jié)構(gòu)的 定向性?，F(xiàn)有技術(shù)尚未公開在室溫下通過擠壓莰烯/氮化硅冷凍坯體制備高度定向的多孔 氮化硅陶瓷的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：為進(jìn)一步提高多孔氮化硅陶瓷孔結(jié)構(gòu)的高度定向性，本發(fā)明要解決的 技術(shù)問題是通過以莰烯作為溶劑，以一定的速率擠壓莰烯/氮化硅冷凍坯體制備生坯，隨 后常壓燒結(jié)制得具有優(yōu)異定向程度、高氣孔率的一維定向多孔氮化硅陶瓷材料。
[0004] 技術(shù)方案：為達(dá)到上述目的，本發(fā)明具體采取以下技術(shù)方案：
[0005] -種擠壓莰烯/氮化硅冷凍坯體制備定向多孔氮化硅陶瓷的方法，包含以下步 驟：
[0006] (1)首先將氮化硅粉料和燒結(jié)助劑進(jìn)行球磨混合，得到固體粉料；
[0007] (2)將步驟⑴混合好的固體粉料與溶解了有機(jī)添加劑的融化莰烯在40~60°C 球磨12~24h混合為均一體系衆(zhòng)料；
[0008] (3)將步驟⑵混合好的均一體系漿料注入模具中定向冷凍，得到莰烯/氮化硅冷 凍坯體，隨后將該莰烯/氮化硅冷凍坯體進(jìn)行熱處理，得到待擠壓坯體；
[0009] (4)將步驟（3)中的待擠壓坯體置于壓力機(jī)中擠出，得到擠壓坯體，隨后將該擠壓 坯體置于真空中低溫干燥，得到生坯；
[0010] (5)將步驟（4)中的生坯于馬弗爐中升溫至400~800°C，然后保溫1~3h進(jìn)行 排膠，以排除該生坯中的各種有機(jī)物質(zhì)，得到陶瓷前驅(qū)體；
[0011] (6)將步驟（5)中的陶瓷前驅(qū)體放入多功能氣氛爐中，在氮?dú)鈮毫?. 2~0. 7MPa 下以5~15°C/min的升溫速度逐漸升溫到1750~1850°C，然后保溫1~2h，即獲得定向 多孔氮化硅陶瓷。
[0012] 更進(jìn)一步的，所述步驟（1)中氮化硅粉料的重量份數(shù)為88~95份，燒結(jié)助劑的重 量份數(shù)為5~12份。
[0013] 更進(jìn)一步的，所述步驟（1)中的燒結(jié)助劑包含具有促進(jìn)P晶粒發(fā)育生長作用的 Y203、Eu203、Lu203、Yb203、Sm203、&203中的一種，和具有促進(jìn)坯體致密化作用的Al203、MgO、CaO、Si02、BaO、SrO中的一種。
[0014] 更進(jìn)一步的，所述步驟（2)中溶解在融化莰烯中的有機(jī)添加劑為粘結(jié)劑和分散 劑，所述粘結(jié)劑包括聚苯乙烯（PS)、聚乙烯醇（PVA)、甲基纖維素（MC)、羧甲基纖維素鈉 (CMC)、羥丙基甲基纖維素（HPMC)中的一種或幾種，所述分散劑包括聚羧酸氨、聚丙烯酸 銨、聚氧乙烯醚中的一種。
[0015] 更進(jìn)一步的，所述粘結(jié)劑的重量份數(shù)為2~15份，所述分散劑的重量份數(shù)為2~ 6份。
[0016] 更進(jìn)一步的，所述步驟（2)中固體粉料在均一體系漿料中的體積含量為1~ 50vol. %。
[0017] 更進(jìn)一步的，所述步驟（3)中均一體系漿料在-5~20°C的冷凍溫度下進(jìn)行定向冷 凍1~12h;所述莰烯/氮化硅冷凍坯體在20~70°C的溫度下進(jìn)行熱處理15~40h，以增 加莰烯"冰晶"的尺寸。
[0018] 更進(jìn)一步的，所述步驟（4)中壓力機(jī)按照0. 5~lOmm/min的擠壓速率擠壓待擠壓 坯體，得到的擠壓坯體在真空中低溫干燥0. 5~24h。
[0019] 有益效果：本發(fā)明提供的一種擠壓莰烯/氮化硅冷凍坯體制備定向多孔氮化硅陶 瓷的方法，通過選擇原料及調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（如固體粉料的含量、融化莰烯中有機(jī)添加劑的 種類和含量、定向冷凍溫度、冷凍坯體熱處理溫度、冷凍坯體熱處理時(shí)間和擠壓速率等）來 控制陶瓷中的氣孔率、氣孔結(jié)構(gòu)及孔徑尺寸等重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其是莰烯/氮化硅冷凍坯 體熱處理后采用擠壓技術(shù)進(jìn)一步提高了孔結(jié)構(gòu)的定向性。本發(fā)明的制備方法具有成本低 廉、工藝簡單、制備試樣定向程度優(yōu)異、孔隙率高、孔結(jié)構(gòu)分布均勻、孔結(jié)構(gòu)以及陶瓷質(zhì)量易 于控制等特點(diǎn)。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的方法制備的定向多孔氮化硅陶瓷，可用以石化、能源企業(yè)中間過濾 和廢氣過濾，承載銀顆粒、鎂氫氧化合物、鐵氫氧化合物等用于陶瓷終端凈水器（POU)以及 過濾排除熔融金屬雜質(zhì)（包括溶解的氣相、非金屬及金屬化合物等），技術(shù)產(chǎn)業(yè)化后可以直 接應(yīng)用在高溫?zé)煔獬龎m設(shè)備、熔融金屬過濾、水凈化過濾，為國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展 提供技術(shù)幫助。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例四中定向多孔氮化硅陶瓷的XRD圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例四中定向多孔氮化硅陶瓷的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0024] 1)在實(shí)施例1~10中，先將平均粒徑為0. 5ym的氮化硅、燒結(jié)助劑按照表1所示 的重量分?jǐn)?shù)配比混合裝入球磨罐，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，用瑪瑙磨球在行星式球磨機(jī)上 球磨3h，之后取出置于80°C干燥箱內(nèi)烘干，烘干后的混合料過14目篩后備用，得到摻有燒 結(jié)助劑的氮化硅粉料的混合固體粉料；
[0025] 2)將固體粉料與溶解了有機(jī)添加劑（粘結(jié)劑和分散劑）的融化莰烯在40~60°C 在球磨機(jī)上球磨混合成均一體系漿料，實(shí)施例1~10中固相粉料、粘結(jié)劑、分散劑和融化莰 稀的種類與含量詳見表1 ;
[0026] 3)將制備好的均一體系漿料注入尺寸為20mmX20mm的模具中，冷凍至定向，得到 莰烯/氮化硅冷凍坯體，隨后將得到的莰烯/氮化硅冷凍坯體進(jìn)行熱處理，以促進(jìn)莰烯"冰 晶"的生長發(fā)育，得到待擠壓坯體，實(shí)施例1~10中冷凍溫度、熱處理溫度、熱處理時(shí)間的工 藝參數(shù)詳見表1 ;
[0027] 4)將待擠壓坯體置于擠壓機(jī)橫截面尺寸為5mmX5mm的模具中，按照表1所示的