冷凍干燥法制備多孔Si3N4陶瓷及性能研究.pdf

1、多孔陶瓷憑借其低熱傳導率、低密度、高滲透性、高比表面積、耐高溫、耐腐蝕等特性，廣泛應用于化工、冶煉、石油、紡織、制藥、航空航天等領域。冷凍干燥法作為制備具有特殊微觀形貌多孔陶瓷的一種新型方式引起了國內(nèi)外學者的關(guān)注。本文通過對水基氮化硅陶瓷料漿性能的研究，確定了分散劑種類及添加量、料漿pH值與球磨時間。通過實驗確定了減壓干燥制度、燒結(jié)配方、燒結(jié)制度等工藝參數(shù)。實驗系統(tǒng)的研究了分散劑、粘結(jié)劑與固相含量對多孔氮化硅陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、物理性能、力

2、學性能以及介電性能的影響，并探討了成孔機理。通過添加甘油與硅溶膠對多孔陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)以及綜合性能進行了調(diào)控與優(yōu)化。
　　首先，通過添加不同種類分散劑及添加量、改變料漿pH值對陶瓷料漿的流變性與Zeta電位進行研究，確定了料漿最佳分散劑為PAA-NH4，最佳pH值為10左右。當分散劑添加量為0.8wt％時，陶瓷料漿有最小的粘度值；當pH為10左右時，料漿具有最大的Zeta電位。
　　其次，通過對冷凍干燥法原理與動力學分析，設計

3、并制作了冷凍干燥模具。通過研究球磨時間、干燥時間、冷凍保存時間、實驗配方、燒結(jié)制度對實驗結(jié)果的影響，確定了球磨時間為12h，冷凍保存5h，真空干燥55h，燒結(jié)配方為Si3N4:Y2O3:Al2O3=92:6:2、燒結(jié)制度為1700oC、0.3MPa下保溫兩個小時，升溫速率5oC/min。
　　然后，實驗系統(tǒng)的研究了分散劑、粘結(jié)劑與固相含量對多孔陶瓷的物理性能、力學性能、微觀結(jié)構(gòu)與介電性能的影響。實驗結(jié)果表明：當分散劑的添加量為0.

4、8wt%時，樣品氣孔率為63%左右，最大抗彎強度為33MPa；隨著粘結(jié)劑含量的逐漸增加，孔徑分布結(jié)果表明大孔徑數(shù)量與尺寸逐漸減小，小孔徑數(shù)量逐漸增加且尺寸基本不變；當固相含量從10vol%增加至40vol%，氣孔率下降、體積密度與收縮率增加、力學性能升高以及介電性能增大：氣孔率從87.8%降低至40.58%，體積密度從0.39g/cm3增加到1.9g/cm3，收縮率從20.6%增加到26%，抗彎強度從0.1MPa增加到94.7MPa，抗

5、壓強度從1.3MPa增加到314MPa，介電常數(shù)從1.4增加至3.2，介電損耗從2×10-3增加至1×10-2左右。由樣品的孔徑分布結(jié)果可知，大孔徑數(shù)量與孔徑尺寸隨著固相含量增加而逐漸減少，小孔徑數(shù)量增加且孔徑尺寸基本不變。由樣品 SEM結(jié)果可知，隨著固相含量增加，微觀結(jié)構(gòu)由明顯的層狀結(jié)構(gòu)以及樹枝狀的微觀形貌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^致密的微觀結(jié)構(gòu)，當固相含量大于40vol%時，冷凍干燥法制備的特有微觀形貌消失。
　　最后，通過添加防凍劑（甘油

6、）影響冰的結(jié)晶行為，成功改變了多孔氮化硅陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。由孔徑分布結(jié)果可知，當甘油添加量超過3vol%時，出現(xiàn)了新的孔徑尺寸，使樣品孔徑尺寸的雙峰分布變成了三峰分布，且新孔徑數(shù)量隨著甘油含量增加而增加，原有孔徑數(shù)量逐漸減小；由 SEM結(jié)果可知，層狀現(xiàn)象及樹枝狀微觀形貌隨著甘油含量的增加逐漸消失，形成了規(guī)則的蜂窩狀微觀形貌，這導致了樣品的介電常數(shù)從2.1降低至1.7左右。通過添加硅溶膠成功改變了多孔氮化硅陶瓷在高溫燒結(jié)時的相轉(zhuǎn)變過程。由

7、XRD結(jié)果可知，樣品的物相組成由單一的β-Si3N4，變?yōu)棣?Si3N4、釔硅氧相（Y-Si-O）以及抗氧化性能更優(yōu)異的O’-sialon（Si-Al-O-N)三相共存；由孔徑分布結(jié)果可知，孔徑的雙峰分布逐漸變?yōu)閱畏宸植迹】讖綌?shù)量大大減少并逐漸消失；由SEM結(jié)果可知，長柱狀β-Si3N4晶粒消失，變成了粗扁的β-Si3N4晶粒以及O’-sialon相和釔硅氧相（Y-Si-O）。由于新相的形成，導致介電常數(shù)增加且在P波段內(nèi)隨著頻率的升高