摘要
多孔氮化硅陶瓷(Porous Si3N4 ceramics，Si3N4-PC)因其优异的结构、力学和介电等性能，在宽频透波雷达罩、流体过滤器、催化剂载体、分离膜和人体组织构件等方面应用前景广阔。当前Si3N4-PC研究着重于高气孔率和造孔方法，强度和韧性亟待提高。本文以注凝成形结合反应烧结和反应无压烧结制备Si3N4-PC，研究注凝成形体系和工艺、原料Si粉粒度和烧结制度等因素对Si3N4-PC的结构和性能的调控作用。研究表明： (1)EGDGE-TEPA是一种新的性能优良的陶瓷注凝成形材料体系，其所制备的Si粉素坯均匀致密，无气泡、裂纹和翘曲等缺陷；EGDGE添加量为11%时，素坯?b达1.03g·cm-3，σF达20.56MPa； (2)对于反应烧结Si3N4-PC，采用1μm、5μm和45μm的单粒度组成的原料Si粉时，随着Si粉粒度的增大，Pa下降，?b、σF和γwof提高，分别可在39~47%、1.73~1.96g·cm-3、49.16~75.02MPa和691.89~822.49J·m-2范围内调控；采用双粒度组成的原料Si粉，5μm&45μm双粒度组成的原料Si粉可产生紧密堆积作用，从而扩大Si3N4-PC的调控范围，其Pa下限降至33%，?b、σF和γwof上限分别提高至2.17g·cm-3、109.94MPa和990.74J·m-2； (3)反应无压烧结制备Si3N4-PC，采用5μm的单粒度组成的Si粉原料时，获得Pa最小值38%、?b最大值2.03g·cm-3以及σF最大值112.44MPa；采用5μm&45μm的双粒度组成的Si粉原料时分别获得σF和γwof的最大值119.56MPa和1167.88J·m-2。反应无压烧结Si3N4-PC的Pa、?b、σF和γwof调控范围分别为38~51%、1.61~2.03g·cm-3、29.55~119.56MPa和252.01~1167.88J·m-2； (4)烧结工艺和原料粒度对于Si3N4-PC的物相组成有显著调变作用。反应烧结Si3N4-PC和反应无压烧Si3N4-PC均存在α-Si3N4和β-Si3N4两相；1μm的原料Si粉坯体经反应烧结，生成大量Si2N2O相，在反应无压烧结时，完全生成β-Si3N4相。反应无压烧结可被视为前后相继的反应烧结和无压烧结两个阶段，前者温度低于1400℃，主要生成α-Si3N4相，后者温度达到1650℃，发生α-Si3N4→β-Si3N4的相变，主要生成β-Si3N4相。 (5)烧结工艺和原料粒度对Si3N4-PC的显微组织结构起到强烈的控制作用。反应烧结后，1μm原料Si粉坯体形成颗粒结合状结构，气孔尺寸远小于1μm且其尺寸和分布均匀一致；5μm及45μm原料Si粉坯体形成大量Si3N4晶须并相互穿插交织形成网状结构，气孔尺寸约1μm且其尺寸和分布较为均匀一致。反应无压烧结后，1μm原料Si粉的坯体形成短柱状β-Si3N4颗粒相互烧结的架状结构和孔径约1μm的气孔；5μm原料Si粉的坯体形成长柱状β-Si3N4密集穿插胶结的致密结构和少量亚微米气孔；45μm原料Si粉的坯体呈现为细小棒状β-Si3N4与颗粒状Si3N4的混杂结构，并形成了微米到亚微米级尺寸分布较宽的气孔。
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