一种基于增材制造技术的多孔氮化硅陶瓷、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种多孔Si3N4陶瓷、其制备方法及其应用，方法为：将Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂混合，球磨，得到表面改性的基础粉体；表面活性剂选自二甲基二氯硅烷、丁醇、戊醇、聚乙烯醇、三甲基乙氧基硅烷、甲基三氧基硅烷、甲基四硅氧烷和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种；将表面改性的基础粉体和光固化有机溶剂球磨，得到固相含量为50～80wt％的预制浆料；将预制浆料和光引发剂混合，采用光固化增材制造技术成型，得到陶瓷素坯；将陶瓷素坯煅烧，然后在氮气下烧结，得到多孔Si3N4陶瓷。该多孔Si3N4陶瓷的结构可控，其线收缩率降低，提高其力学性能，如抗弯强度；还具有较高的孔隙率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于增材制造技术的多孔氮化硅陶瓷、其制备方法及其应用
本专利技术涉及高性能陶瓷制备和增材制造
，尤其涉及一种基于增材制造技术的多孔氮化硅陶瓷、其制备方法及其应用。
技术介绍
Si3N4作为一种超硬的高温特种结构陶瓷，由于具有高强度、高硬度、耐磨、耐酸碱腐蚀、耐高温等优点，已被广泛应用于航空航天、机械电子、化工冶金、军工和核工业等高端
多孔Si3N4陶瓷还被视为一种可取代金属合金的新型生物医用材料，适用于制备关节、脊椎等基础骨架或植入体，在骨缺损的修复或替换领域具有重大的应用潜能。在高端
以及特殊部件的应用，往往要求Si3N4陶瓷产品兼备复杂的宏/微/纳结构、高精密度和高性能，但是其固有的脆性大、硬度高等特点，为制造或二次加工带来极大的难度，这对传统模具浇注或常规铸锻铣切削的制造技术提出了极高的要求和挑战。采用传统挤压成型法制备多孔Si3N4陶瓷(包括无压成型、热压成型、锻压成型和等静压成型等)，容易获得致密度大、强度高、硬度高的Si3N4陶瓷，但是Si3N4陶瓷的孔隙率低，可能存在各向异性，难以控制内部微/纳结构及其形成。在挤压成型的基础上，添加易高温分解的无机/有机的造孔剂(例如碳酸氢铵、氯化铵、淀粉、聚乙醇烯、硬脂酸等)，在热处理后容易获得较高孔隙率(约50％)的多孔Si3N4陶瓷，但是陶瓷内部结构连通性差，而且结构均匀性难控。发泡法、冷冻干燥法和凝胶注模法都能有效提高Si3N4陶瓷的孔隙率，其中冷冻干燥法有利于制备独特梯度多孔结构，而凝胶注模法使料浆原位凝固成坯体，其优势在于提高孔隙率、内部结构连通率和孔分布均匀性，但是对微/纳结构的精度无法控制。此外，基于传统模具工艺发展的常规陶瓷制备技术在制造多孔Si3N4陶瓷时，必须提前制作特定结构的模具，结构调控受到模具及制备工艺的限制，难以制备复杂形状和精密多孔结构的Si3N4陶瓷。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于增材制造技术的多孔氮化硅陶瓷、其制备方法及其应用，该多孔Si3N4陶瓷的结构可控，且具有较高的孔隙率和抗弯强度。本专利技术提供了一种多孔Si3N4陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂混合，球磨，得到表面改性的基础粉体；所述表面活性剂选自二甲基二氯硅烷、丁醇、戊醇、聚乙烯醇、三甲基乙氧基硅烷、甲基三氧基硅烷、甲基四硅氧烷和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种；将所述表面改性的基础粉体和光固化有机溶剂球磨，得到固相含量为50～80wt％的预制浆料；将所述预制浆料和光引发剂混合，采用光固化增材制造技术成型，得到陶瓷素坯；将所述陶瓷素坯进行煅烧，得到陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体在氮气气氛下烧结，得到多孔Si3N4陶瓷。优选地，所述Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂的质量比为50～80:20～50:0.1～5。优选地，所述采用光固化增材制造技术成型具体包括：将多孔三维模型文件导入分层软件中，切片分层后形成打印程序，打印时激光功率为10～50W、XY分辨率20～50μm、打印层厚为10～30μm、曝光时间为3～20s；将预制浆料和光引发剂混合后的混合物铺料，打印，使单层浆料固化，再重新铺设混合物进行固化；重复上述的铺料和打印过程，得到陶瓷素坯。优选地，所述光固化增材制造技术为立体光固化成型技术、数字光处理技术或多喷头打印技术。优选地，所述光固化有机溶剂选自聚对苯二甲酰对苯二胺、环氧己烷、环氧丙烯酸酯、1,6-已二醇二丙烯酸酯、环氧环已基甲酸酯、聚乙二醇、正辛醇、异丙醇、醋酸甲酯和醋酸乙酯中的一种或多种。优选地，所述光引发剂选自安息香双甲醚、二苯基乙酮、羟烷基苯酮、双苯甲酰基苯基氧化膦、二苯甲酮、硫代丙氧基硫杂蒽酮和烷基碘鎓盐中的一种或多种。优选地，所述排胶的升温过程包括：以3℃/min～10℃/min的升温速率从室温升温至400℃，再以1℃/min～3℃/min的升温速率从400℃升温至600～800℃，每隔100℃的保温时间为1～3h。优选地，所述烧结的升温过程包括：以5℃/min～15℃/min的升温速率从室温升温至800℃，再以1℃/min～5℃/min的升温速率从800℃升温至1250～1550℃，保温时间为1～5h。本专利技术提供了一种多孔Si3N4陶瓷，所述多孔Si3N4陶瓷的气孔率为70～76％。本专利技术提供了一种多孔Si3N4陶瓷在气体分离过滤器、催化基体、耐热强化材料、隔音隔热材料、骨缺损的修复或骨缺损的替换中的应用；所述多孔Si3N4陶瓷为上述技术方案所述制备方法制备的多孔Si3N4陶瓷或上述技术方案所述的多孔Si3N4陶瓷。本专利技术提供了一种多孔Si3N4陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂混合，球磨，得到表面改性的基础粉体；所述表面活性剂选自二甲基二氯硅烷、丁醇、戊醇、聚乙烯醇、三甲基乙氧基硅烷、甲基三氧基硅烷、甲基四硅氧烷和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种；将所述表面改性的基础粉体和光固化有机溶剂球磨，得到固相含量为50～80wt％的预制浆料；将所述预制浆料和光引发剂混合，采用光固化增材制造技术成型，得到陶瓷素坯；将所述陶瓷素坯进行煅烧，得到陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体在氮气气氛下烧结，得到多孔Si3N4陶瓷。本专利技术通过在Si3N4粉体中加入纳米Si粉体，经过特定种类的表面活性剂改性后与光固化有机溶剂混合，得到50～80wt％的固相含量的陶瓷-树脂预制浆料；再结合光固化增材制造技术，使制得的多孔Si3N4陶瓷的结构可控，其线收缩率降低，提高其力学性能，如抗弯强度；还具有较高的孔隙率。实验结果表明：多孔Si3N4陶瓷的线收缩率为20％～33％，气孔率达到70％以上；抗弯曲强度最高达到200MPa。附图说明图1为本专利技术提供的制备多孔Si3N4陶瓷的工艺流程图。具体实施方式本专利技术提供了一种多孔Si3N4陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂混合，球磨，得到表面改性的基础粉体；所述表面活性剂选自二甲基二氯硅烷、丁醇、戊醇、聚乙烯醇、三甲基乙氧基硅烷、甲基三氧基硅烷、甲基四硅氧烷和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种；将所述表面改性的基础粉体和光固化有机溶剂球磨，得到固相含量为50～80wt％的陶瓷-树脂预制浆料；将所述陶瓷-树脂预制浆料和光引发剂混合，采用光固化增材制造技术成型，得到陶瓷素坯；将所述陶瓷素坯进行煅烧，得到陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体在氮气气氛下烧结，得到多孔Si3N4陶瓷。本专利技术通过在Si3N4粉体中加入纳米Si粉体，经过特定种类的表面活性剂改性后与光固化有机溶剂混合，得到50～80wt％的固相含量的陶瓷-树脂预制浆料；再结合光固化增材制造技术，使制得的多孔Si3N4陶瓷的结构可控，其线收缩率降低，提高其力学性能，如抗弯强度；还具有较高的孔隙率。本专利技术将Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂混合，球磨，得到表面改性的基础粉体。本专利技术优选将Si3N4粉体和纳米Si粉体混合，再和表面活性剂混合。在本专利技术中，所述Si3N4粉体的粒度优选为50～500nm；所述纳米Si粉体的粒度优选为50～500nm。在本专利技术中，所述表面活性剂选自二甲基二氯硅烷、丁醇、戊醇、聚乙烯醇、三甲基乙氧基硅烷、甲基三氧基硅烷、甲基四本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔Si3N4陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂混合，球磨，得到表面改性的基础粉体；所述表面活性剂选自二甲基二氯硅烷、丁醇、戊醇、聚乙烯醇、三甲基乙氧基硅烷、甲基三氧基硅烷、甲基四硅氧烷和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种；将所述表面改性的基础粉体和光固化有机溶剂球磨，得到固相含量为50～80wt％的预制浆料；将所述预制浆料和光引发剂混合，采用光固化增材制造技术成型，得到陶瓷素坯；将所述陶瓷素坯进行煅烧，得到陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体在氮气气氛下烧结，得到多孔Si3N4陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种多孔Si3N4陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂混合，球磨，得到表面改性的基础粉体；所述表面活性剂选自二甲基二氯硅烷、丁醇、戊醇、聚乙烯醇、三甲基乙氧基硅烷、甲基三氧基硅烷、甲基四硅氧烷和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种；将所述表面改性的基础粉体和光固化有机溶剂球磨，得到固相含量为50～80wt％的预制浆料；将所述预制浆料和光引发剂混合，采用光固化增材制造技术成型，得到陶瓷素坯；将所述陶瓷素坯进行煅烧，得到陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体在氮气气氛下烧结，得到多孔Si3N4陶瓷。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Si3N4粉体、纳米Si粉体和表面活性剂的质量比为50～80:20～50:0.1～5。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述采用光固化增材制造技术成型具体包括：将多孔三维模型文件导入分层软件中，切片分层后形成打印程序，打印时激光功率为10～50W、XY分辨率20～50μm、打印层厚为10～30μm、曝光时间为3～20s；将预制浆料和光引发剂混合后的混合物铺料，打印，使单层浆料固化，再重新铺设混合物进行固化；重复上述的铺料和打印过程，得到陶瓷素坯。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光固化增材制造技术为立体光固化成型技术、数字光处理技术或多喷头打印技术。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄淼俊，邓欣，李练，伍尚华，陈健，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44