孔道内壁伸展晶须超结构氮化硅过滤材料的新制备方法研究

The micron scale particulate matters in the air can cause serious damage to human health. Their filtration is an important topic in controlling environmental problems. Compared to other materials, honeycomb ceramics have the advantages of high temperature resistance, corrosion resistance, high strength and excellent shock resistance. Therefore, they can be used for filtration of particulate matters in air in various situations and for water purification. However, the relative large pore size of the materials seriously limits their application in micron scale particle filtration. By combining ionotropic gelation and reaction sintering, this project targets to develop a novel technique for fabricating superstructure honeycomb Si3N4 ceramics with 'whiskers-protruding from the interwall' with a pore size of micron scale. Meanwhile, by analyzing the factors related to the formation process of highly ordered capillaries， the porosity, and the capillary size and length，as well as the factors governing the ceramic composition, whisker morphology and size，this project aims to improve the present understanding of the mechanisms controlling the chemical reaction, the whisker growth and the formation of the superstructures. Furthermore, the particle filtration efficiency of the new ceramic samples with different pore sizes is to be examined so as to understand the relationship between the microstructure and the performance of the materials. This study is of significant importance from both fundamental science and application points of view.

空气中的细微颗粒严重危害人体健康，其过滤净化是环境控制的重要课题。与其它材料相比，蜂窝陶瓷因具有耐高温、耐腐蚀、高强度和优良抗震性等特点，可用于各种场合废气中的颗粒过滤及水源净化等。而孔径较大等问题严重限制了其在微米级颗粒过滤中的应用。本项目将硅蜂窝陶瓷的离子凝胶制备技术与反应烧结技术相结合，通过反应微区温度、压力的调控，在蜂窝孔道内原位生长形貌、尺寸可控的晶须，从而开发微米孔径的"孔道内壁伸展晶须超结构"氮化硅蜂窝陶瓷高效低成本制备新技术。同时，该研究通过对离子凝胶过程中平行孔道形成机制、孔道气孔率、孔径分布控制因素的分析，及对常压反应烧结的超结构产物的相组成、原位生长晶须的形貌、尺寸控制因素的分析，探索氮化硅蜂窝陶瓷的反应过程、晶须的生长机理及超结构形成机理，促进相关理论研究，进而分析材料结构对不同粒径细微颗粒过滤效果的关系规律。本研究及相关新技术的开发兼具重要理论意义和实用价值。

空气中的细微颗粒严重危害人体健康，其过滤净化是环境控制的重要课题。与其它材料相比，蜂窝陶瓷因具有耐高温、耐腐蚀、高强度和优良抗震性等特点，可用于各种场合废气中的颗粒过滤及水源净化等。而孔径较大等问题严重限制了其在微米级颗粒过滤中的应用。为此，本项目将硅蜂窝陶瓷的离子凝胶制备技术与反应烧结技术相结合，通过反应微区温度、压力的调控，在蜂窝孔道内原位生长形貌、尺寸可控的晶须，从而开发出微米孔径的"孔道内壁伸展晶须超结构"氮化硅蜂窝陶瓷高效低成本制备新技术。同时，本研究还通过对离子凝胶过程中平行孔道形成机制、孔道气孔率、孔径分布控制因素的分析，及对常压反应烧结的超结构产物的相组成、原位生长晶须的形貌、尺寸控制因素的分析，探索了氮化硅蜂窝陶瓷的反应过程、晶须的生长机理及超结构形成机理，总结出了材料结构对不同粒径细微颗粒过滤效果的关系规律促进相了关理论研究。. 根据本项目结果，以硅粉代替昂贵的氮化硅粉，以较低的反应烧结温度取代较高的氮化硅直接烧结温度，大幅降低了材料制备成本。而项目中基于海藻酸钠离子凝胶反应的蜂窝坯体的制备，不仅使蜂窝孔径降至几至十几微米，还利用容器尺寸灵活调整了蜂窝陶瓷块体的尺寸和孔道长度。另外，本项目采用的是一种无毒害工艺，因陶瓷的耐酸、耐碱、耐腐蚀、抗高温等特性，其使用后还易处理回收再利用。本项目成功制备出的新型结构“孔道内壁伸展晶须超结构”蜂窝陶瓷过滤体对流体中细微颗粒物具有很高的过滤效率。基于本项目材料的扩展，可进一步开发相应系列产品，用于空气和水的净化，这在环境问题日趋严重的前景下尤为重要，因此项目展示出有广阔的市场应用前景，相关结果兼具科学研究意义和工业应用价值。