多孔氮化硅陶瓷的研究进展及构效关系中的矛盾平衡

马茸茸¹，张电^1,2，刘一军³，刘静¹，杨晓凤¹，李延军¹，马爱琼¹

1. 西安建筑科技大学材料科学与工程学院2. 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室3. 蒙娜丽莎集团股份有限公司

摘 要：多孔氮化硅陶瓷（Si₃N₄-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,Si₃N₄-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Si₃N₄-PC气孔率仅40%,而模板复制法和直接发泡法制得的Si₃N₄-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Si₃N₄-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,Si₃N₄-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Si₃N₄-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Si₃N₄-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Si₃N₄-PC的制备及应用等研究工作,将目前Si₃N₄-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Si₃N₄-PC的特点和不足;通过文献数据汇总标明了当前Si₃N₄-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Si₃N₄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Si₃N₄-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。

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;