一文认识 氮化硅多孔陶瓷材料

氮化硅多孔陶瓷既是优良的高温结构材料，又是新型的功能材料。具有体积密度小、比表面积大及独特的物理表面特性，对液体和气体介质有选择性透过性，具有能量吸收或阻尼特性，并具有陶瓷特有的耐高温、耐腐蚀、高的化学稳定性和尺寸稳定性。目前，在过滤、净化分离、化工催化载体、吸声减震、高级保温材料和传感材料等领域，具有广阔的应用前景。

氮化硅多孔陶瓷的制备方法主要有碳热还原法、添加造孔剂、凝胶铸模法、部分热压法、添加造孔剂法等。

目前，增强相（孔）的大小形状及分布、基体材料（氮化硅）本身的性质、基体材料与增强相之间的相互作用等，是氮化硅多孔陶瓷的研究热点。

碳热还原法制备多孔氮化硅是通过二氧化硅和碳在高温氮气气氛下的碳热还原反应原位生成α-Si₃N₄，后在烧结助剂的作用下相变成β-Si₃N₄。其中由于44%的反应失重得到多孔氮化硅。

凝胶铸模法制备多孔氮化硅陶瓷是利用柱状的β-Si₃N₄晶粒搭建多孔结构，以SiO₂溶胶作为成型的单体，利用溶胶的凝胶过程成型后，进行烧结。

凝胶铸模法制备多孔氮化硅陶瓷工艺流程图

部分热压是以Y₂O₃、MgO和CaO为添加剂，制备气孔率在0.009~0.236的多孔氮化硅陶瓷。该法制备的多孔氮化硅陶瓷是由众多长柱状的β-Si₃N₄晶粒及部分残余的α- Si₃N₄构成，气孔由长柱状的β-Si₃N₄搭接形成，其形状不规则。

部分热压制备氮化硅多孔陶瓷的工艺过程：

造孔剂法是通过在Si₃N₄陶瓷粉体中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而成气孔来制备Si₃N₄多孔陶瓷。

造孔剂的种类、粒径和用量的选择十分考究。常用的造孔剂分为无机和有机两类。无机造孔剂有碳酸铵、碳酸钙、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解盐类；有机造孔剂主要是天然纤维、高分子聚合物和有机酸等。

淀粉固结法是以氮化硅、氮化硼,和二氧化硅作为陶瓷基体材料，通过淀粉固结工艺，采用常压部分氧化烧结制备Si₃N₄多孔陶瓷。并通过控制淀粉的体积分数、尺寸和几何形状来控制孔隙率和孔结构，从而控制材料的最终性能。

目前，通过添加淀粉作为造孔剂及固结剂，采用部分氧化烧结工艺，已成功制备出显气孔率高达73. 17% 的多孔氮化硅基复合材料。 

挤压成型制备多孔氮化硅陶瓷是以甲基纤维素作粘结剂配制氮化硅泥料，利用柱塞式挤压模具通过挤压成形法制备多孔氮化硅陶瓷。所用的氮化硅粉体中α相含量大于95%，平均粒径约为1 μm。甲基纤维素作为粘结剂，氧化钇作为烧结助剂。工艺流程是：

氮化硅多孔陶瓷作为一种性能优异、前景广阔的新型多孔材料，其作为过滤、分离、吸音、敏感材料及生物陶瓷，可广泛应用于化工、环保、生物等领域。

Si₃N₄多孔陶瓷作为过滤装置，具有过滤面积大，过滤效率高的特点，再加上耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、机械强度高等优点，在腐蚀性流体、高温流体、熔融金属以及过滤流体中的放射性物质等应用领域，将有其独特的优势。

Si₃N₄多孔陶瓷过滤装置

作为吸音材料的多孔陶瓷要求较小的孔径（20～150µm），相当高的气孔率（60%以上）及较高的机械强度。由于氮化硅陶瓷具有优良的耐火性和耐气候性，因而Si₃N₄多孔陶瓷可望用在地铁等防火要求极高的场合。

Si₃N₄多孔陶瓷防火材料

目前广泛使用的多孔陶瓷膜材质有氧化铝质、石英质、硅酸铝质。实验证明氮化硅质的多孔陶瓷隔膜材料强度明显高于常用氧化铝质，因而在固体氧化物隔膜领域应用前景广阔。 

多孔陶瓷可用作湿敏传感器、测量压力及红外发射、吸收等元件，且氮化硅陶瓷耐高温、耐腐蚀，适应许多特殊场合，Si₃N₄多孔陶瓷在敏感元件上更具有广阔的开发前景。

Si₃N₄多孔陶瓷敏感元件

由于Si₃N₄多孔陶瓷生物相容性好，理化性能稳定，无毒副作用，目前，氮化硅多孔陶瓷已成功应用于用作医学、生物材料。

作者：李波涛