高强度氮化硅基多孔陶瓷的制备及其孔隙结构的控制

项目以高强度氮化硅基多孔陶瓷的无压烧结及其孔隙结构控制为研究目标,重点研究磷酸盐结合氮化硅基多孔陶瓷的制备工艺，通过合理调配结合剂添加量和烧结制度，实现开闭气孔、孔径大小及其分布、孔隙率及其均匀性的精确控制；研究多孔陶瓷晶粒发育、晶粒连接程度、孔壁构造和孔隙结构的影响规律，建立物相组成、显微结构、孔隙结构与其力学强度和热学性能之间的关系；阐明高孔隙率氮化硅基多孔陶瓷的增强机理，探查多孔陶瓷在高温环境下的孔隙结构变化对其力学、热学性能的影响，制备出孔隙结构可控、具有良好高温环境适应性的、高强度氮化硅基多孔陶瓷。预期成果将为航空航天领域中的轻质、耐高温、承载、结构功能一体化的隔热材料和高温废气过滤用高强度多孔支撑材料提供制备工艺技术和孔隙结构控制的参考依据。

项目以航空航天领域中的轻质、耐高温、承载、结构功能一体化的隔热材料和高温烟气过滤用高强度氮化硅基多孔陶瓷的无压烧结及其孔隙结构控制为研究目标。首先，研究了磷酸盐结合氮化硅多孔陶瓷的无压烧结制备工艺，阐明了多孔陶瓷晶粒发育、晶粒连接程度、孔壁构造和孔隙结构的影响规律，通过合理调配磷酸盐结合剂添加量和烧结制度，实现了开闭气孔、孔径大小及其分布、孔隙率及其均匀性的精确控制。进而，通过选用淀粉和萘粉作为造孔剂，制备出高孔隙率磷酸盐结合氮化硅多孔陶瓷，并研究了不同造孔剂含量和制备工艺参数（升温速率、低温热处理温度、烧结温度及保温时间等）对高孔隙率磷酸锆结合氮化硅多孔陶瓷物相组成、显微结构、孔隙结构的影响，探明了磷酸盐结合氮化硅基多孔陶瓷的高孔隙率成孔机理。项目分别建立了高孔隙率磷酸锆结合氮化硅多孔陶瓷物相组成、显微结构、孔隙结构与其高温力学性能和热学性能之间的关系，探明了高孔隙率多孔陶瓷的增强机理：磷酸盐位于氮化硅颗粒之间，其反应合成和固相烧结作用有效提高了多孔陶瓷的力学强度。研究结果表明：通过磷酸盐结合及添加造孔剂的方法成功制备出孔隙率变化范围35~64%，孔隙结构（孔隙率、孔径大小）可控的Si3N4多孔陶瓷；当不添加造孔剂时，多孔陶瓷的孔径大小为0.5m，孔隙率随磷酸盐含量的增加而线性降低；当固定磷酸盐含量为25%时，添加造孔剂可制得多级孔隙结构（孔径30m的大孔和孔径0.5m的小孔）的多孔陶瓷，孔隙率随造孔剂含量的增加而线性增加；磷酸盐结合氮化硅多孔陶瓷具有较高的力学强度和较低的热导率，室温力学强度最高可达到120MPa，热导率最低可达0.4W/m·K；当温度高达800℃时，孔隙率为35%的磷酸锆结合氮化硅多孔陶瓷仍具有较高的抗弯强度为122.5MPa，具有较好的高温环境适应性。