凝胶注模成型多孔氮化硅陶瓷制备技术研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Elmo761129
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多孔氮化硅陶瓷具有优良的综合性能,但由于传统成型方法在解决其曲面薄壁结构的成型问题时存在灵活性差、孔径尺寸分布不均匀、力学性能低等诸多问题,限制其应用和发展。本文从分析影响氮化硅凝胶注模成型用水基料浆稳定性、均匀性的机理出发,通过引入与水互溶的低粘度有机溶剂,研究和开发高固相含量、低粘度、稳定性良好的氮化硅陶瓷料浆;通过烧结助剂、造孔剂选材及含量研究解决了多孔氮化硅陶瓷材料的性能调控技术,实现了密度1.2g/cm3,孔隙率66.5%,抗弯强度≥75MPa的多孔氮化硅陶瓷材料制备。本文分析了氮化硅粉体在水中的反应过程,利用表面改性解决了由于粉体水解大量放气产生的料浆稳定性差、坯体和陶瓷材料孔径分布不均匀等问题,通过研究了pH值、有机溶剂、分散剂用量、固相含量及球磨时间等参数对料浆性能的影响,确定了料浆最佳工艺参数:采用四甲基氢氧化铵(TMAH)调节pH值在9-10范围内,分散剂聚丙烯胺(PMAA-NH4)加入量在(0.8-1.0)vol%,球磨时间24小时左右,引发剂用量(0.2-0.4)vol%,固化温度控制(50-80)℃。本文优化了凝胶注模成型的多孔氮化硅陶瓷坯体固化、干燥、烧成等工艺参数,分析了α-Si3N4向β-Si3N4的转化机理及控制技术,研究了多孔氮化硅陶瓷孔隙率与力学性能的对应关系,通过β-Si3N4柱状晶粒长径比控制解决了材料高气孔率下仍具有高强度的制备关键技术。通过测试材料密度、弯曲强度和微观结构等,分析了随浆料固相含量增加材料体积密度和弯曲强度随之提高,造孔剂含量增大材料抗弯强度减小,材料孔径大而不均造成材料抗弯强度降低等规律,可知β-Si3N4柱状晶直径及长径比、单位面积内用以承载的搭接节点数量、孔径直径及均匀分布情况是影响材料力学性能的关键参数。本文解决了水基凝胶注模成型性能可调控多孔氮化硅陶瓷制备技术,通过改变造孔剂含量(030)wt%可实现对多孔氮化硅陶瓷体积密度(1.750.96)g/cm3、孔隙率(5272.5)%、弯曲强度(20240)MPa的精确控制。
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