定向多孔氮化硅陶瓷的制备及应用基础研究

Research and development of new porous ceramics filters have important scientific significance and practical value for solving high-temperature flue gas and achieving sustainable development. Porous silicon nitride ceramics with elongated grains and superior fracture toughness can be used for high temperature flue gas filtration. However, the filtration performance of porous silicon nitride with irregular pores is greatly reduced. In the work, silicon nitride ceramics with one-dimension well-aligned pores will be prepared by low cost extrusion method and the normal sintering and carbothermal reduction compound method using high aspect ratio nylon or carbon fibers as pore former. The effects of additives on pug liquid phase migration and some scientific problem will be studied, which include the quantitative relation between plasticity of ceramic mud and liquid phase migration, the directional alignment of pore former during plastic deformation, the control mechanism of pore diameter and structure, the relationships among pore size, morphology, orientation and the mechanical properties, and the relationships between filtration resistance and filter efficiency. Porous silicon nitride ceramics filters which have own intelligent property right and manufacture technology are studied and developed, the products will be applied to high temperature flue gas removal purification, it is aimed to provide technical support for the substantial development of region society economy.

研究和开发新型多孔陶瓷过滤器对解决高温烟气污染和可持续发展具有重要的科学意义和实用价值。具有优异断裂韧性和高强度纤维状晶粒的多孔氮化硅陶瓷是一种最有前景的可用于高温烟气的陶瓷基过滤材料。然而，普通多孔氮化硅陶瓷内部无规则排列的孔隙大大降低了其过滤性能。本项目拟采用可燃性良好、高长径比的尼龙纤维或碳纤维作为造孔剂，采用低成本的挤压成型及常压烧结与碳热还原相结合工艺制备"一维定向"多孔氮化硅陶瓷。通过实验及数值模拟的方法，重点研究添加剂对泥料液相迁移行为的影响、泥料的塑性和液相迁移之间的定量关系、泥料流变过程中造孔剂的定向排列及孔径、孔结构的控制机理以及孔径大小、形态、取向与材料力学性能及过滤阻力和过滤效率间关系等科学问题。研究开发出具有我国独立自主知识产权的定向多孔氮化硅陶瓷过滤器及其制造技术。该技术产业化后可以直接用于高温烟气除尘净化，为国家、地方经济的可持续性发展提供技术支持。

具有优异断裂韧性和高强度纤维状晶粒的多孔氮化硅陶瓷是一种极具前景的可用于高温烟气的陶瓷基过滤材料，但普通多孔氮化硅陶瓷内部无规则排列的孔隙大大降低了其过滤性能。本项目采用可燃性良好、高长径比的尼龙纤维或碳纤维作为造孔剂，低成本的挤压成型及常压烧结与碳热还原相结合工艺制备“一维定向”多孔氮化硅陶瓷。以a相氮化硅（a-Si3N4）作为原始粉料，氧化钇（Y2O3）为烧结助剂，尼龙纤维作为造孔剂，HPMC作为粘结剂、PEG（分子量1000）作为增塑剂、丙三醇作为消泡剂及香油作为润滑剂，制备出高气孔率的多孔氮化硅陶瓷，研究了不同固相含量对挤出成型工艺过程的影响。发现当固相量在70-75 vol.%易于形成适合挤出的泥料，当固相含量超过75 vol.%时，由于泥料中液相含量减少、液相迁移差、塑性降低导致泥料成型困难。其次在大量优化挤出成型工艺参数基础上，发现当泥料挤出速度在4 mm/min左右时最适合挤出。此外由于Y2O3的加入，促进了Si3N4粉末表面耐高温粘结相的形成，并促进了a→b相转变，导致生坯烧结后试样的主晶相为b-Si3N4，晶界相为Y2Si3O3N4（由Y2O3和Si3N4及SiO2反应生成）。六方氮化硅晶粒的各向异性生长使低棱镜面（100）的面积最大化从而形成针状的微观组织结构。由于液相粘度值较高，晶核沿C轴迅速长大形成高长径比的b-Si3N4晶粒，从而具有伸长、六方棒状形貌。烧结后试样的微观结构中孔洞分布基本符合定向的要求，且分布十分均匀。随着尼龙纤维含量的增多，孔隙率增大、排列趋于定向，烧结后样品的气孔率为10.36~62.35 %，平均孔径约17 μm，密度为1.44~2.61 g•cm-3，抗弯强度为13.15~99.09 MPa，硬度为149.6~569.5 kg•mm-2，力学性能良好。最后，通过凝胶冷冻工艺制备出超高气孔率定向多孔氮化硅陶瓷，合理控制暴露时间可以避免坯体中沟壑等缺陷的产生。烧成后的样品一维定向孔分布均匀，由于凝胶化后三维网络结构抑制了水分子的相互作用，使得定向孔无枝晶等缺陷。当其固相含量为5 vol.%时，开气孔率高达83.73 %，抗弯强度为13.14 MPa。该项目研究开发出了具有我国独立自主知识产权的定向多孔氮化硅陶瓷制备技术，申请技术发明专利四项，成果转化后可直接用于高温烟气除尘净化，为国家经济的可持续性发展提供了技术支持。