多孔氮化硅陶瓷的研究进展及构效关系中的矛盾平衡

• 作者: 刘一军 刘静 张电 李延军 杨晓凤 马爱琼 马茸茸
• 来源期刊: 材料导报
• 学科: 工学
• 关键词: 多孔氮化硅陶瓷 构效关系 矛盾平衡 气孔率-强度 孔径-比表面积
• 年，卷（期）: 2020,（9）
• 所属期刊栏目: 无机非金属及其复合材料
• 页码范围: 9101-9109
• 页数: 9页
• 分类号: TQ174
• 字数: 11966字
• 语种: 中文
• DOI: 10.11896/cldb.19010034

摘要

多孔氮化硅陶瓷(Si3 N4-PC)在流体过滤器、催化剂载体、宽频透波材料、复合材料乃至组织工程等领域存在广阔的应用前景.近年来,Si3 N4-PC的研究主要致力于发展多种方法以提高气孔率并优化孔形貌,从而改善渗透率和比表面积等重要参数.通常,不完全烧结法制得的Si3 N4-PC气孔率仅40％,而模板复制法和直接发泡法制得的Si3 N4-PC气孔率高达70％以上,但其力学性能明显恶化,耐压强度仅为10 MPa.通过调控烧结工艺、原料和烧结剂,生成大量纤维状和柱状的微观组织,可使Si3 N4-PC弯曲强度提高至100 MPa以上,然而,气孔率却降至55％以下.此外,一些研究将挤出成形法、牺牲模板法与不同烧结工艺相结合,试图形成耦合孔结构以兼顾气孔率和力学性能,但效果不佳.当前研究中,Si3 N4-PC的制备方法、孔结构和性能数据及其规律性缺乏梳理和总结,提高Si3 N4-PC的综合性能遭遇瓶颈.实质上,气孔率和孔形貌是渗透率等参数的主要影响因素,而孔壁则是承受载荷的中心,孔壁的显微结构是Si3 N4-PC力学性能的决定因素,并对比表面积等核心指标产生显著影响,而原料种类和高温过程是孔壁结构形成的基础和控制机制.针对这些基本问题,本文分析了近年来Si3 N4-PC的制备及应用等研究工作,将目前Si3 N4-PC的制备方法归纳为两类,即通过烧结形成气孔法与通过成形引入气孔法.前者包括不完全烧结法、相变烧结法、反应烧结法和碳热还原氮化法,后者包括挤出成形法、直接发泡法、模板复制法和牺牲模板法等;分析了这些方法制备Si3 N4-PC的特点和不足;通过文献数据汇总标明了当前Si3 N4-PC的气孔率和强度等性能水平;揭示气孔率-强度及孔径-比表面积等构效关系中的矛盾平衡是制约其综合性能的瓶颈.基于颗粒原料及工艺,Si3N4-PC的综合性能难以突破,若采用Si3 N4晶须和纤维等新原料并结合新工艺,则能从原料基础层面开始构建孔结构,显著提升Si3 N4-PC的性能,使其在反辐射导弹雷达罩和膜材料等高价值领域获得应用.