多孔氮化硅陶瓷的研究进展及构效关系中的矛盾平衡

摘要

cqvip:多孔氮化硅陶瓷(Si 3N 4-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,Si 3N 4-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Si 3N 4-PC气孔率仅40%,而模板复制法和直接发泡法制得的Si 3N 4-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Si 3N 4-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,Si 3N 4-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Si 3N 4-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Si 3N 4-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Si 3N 4-PC的制备及应用等研究工作,将目前Si 3N 4-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Si 3N 4-PC的特点和不足;通过文献数据汇总标明了当前Si 3N 4-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,Si 3N 4-PC的综合性能难以突破,若采用Si 3N 4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Si 3N 4-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。