中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氮化硅材料具有優(yōu)異的耐高溫、抗酸堿和金屬液侵蝕、抗氧化、耐磨、高強(qiáng)度和高韌性以及低介電常數(shù)和低介電損耗等本征性質(zhì)，而多孔氮化硅陶瓷則具有高的比表面積、氣孔率、滲透性、抗熱震性和長(zhǎng)流體通道以及低的表觀密度、熱容、熱導(dǎo)率和更低的介電常數(shù)和介電損耗。因此，多孔氮化硅陶瓷特別適用于高溫和侵蝕等特殊環(huán)境下的氣液流體過(guò)濾器、催化劑載體、分離膜、寬頻透波材料、復(fù)合材料增強(qiáng)體、熱交換器、生物反應(yīng)器和人體組織構(gòu)件等。
這些應(yīng)用得益于多孔氮化硅陶瓷體內(nèi)存在大量氣孔及其所提供的細(xì)小空間、通道和表面對(duì)流體輸運(yùn)過(guò)程的控制作用以及對(duì)電磁波的透過(guò)作用。因而，多孔氮化硅陶瓷的氣孔率、強(qiáng)度、孔徑分布、比表面積是核心指標(biāo)，氣孔形貌等顯微結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)是關(guān)鍵因素，它們決定著多孔氮化硅陶瓷的力學(xué)性能和透波性能，及流體的滲透性、輸運(yùn)機(jī)制、負(fù)載能力和吸附能力，顯著影響其應(yīng)用范圍和潛力。
多孔氮化硅陶瓷
（圖片來(lái)源：多孔氮化硅陶瓷的研究進(jìn)展及構(gòu)效關(guān)系中的矛盾平衡，馬茸茸等）
多孔氮化硅陶瓷的性能
孔隙率
孔隙率是固相顆粒之間的空隙體積占總體積的比例，是表征多孔陶瓷的最重要參數(shù)之一。為了制備多孔氮化硅陶瓷，一般情況下會(huì)從原材料的成分設(shè)計(jì)和陶瓷的合成制備工藝等方面來(lái)綜合考慮。
原材料的成分設(shè)計(jì)主要包括原始粉料的選擇、固相含量、有機(jī)物含量等。制備多孔氮化硅陶瓷所采用的基本原料均為等軸狀的α-Si3N4粉體，燒結(jié)助劑有很多種。
多孔氮化硅陶瓷的合成制備方法主要有：添加造孔劑法、擠壓燒結(jié)法、流延法、反應(yīng)燒結(jié)法、冷凍干燥法和凝膠注模法等。不同的合成制備方法對(duì)多孔氮化硅陶瓷材料孔隙有不同的影響。
不同的合成制備方法對(duì)孔隙率、孔徑的影響
（來(lái)源：多孔氮化硅陶瓷制備方法的研究進(jìn)展，王鵬舉等）
力學(xué)性能
一般情況下，彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性是判斷多孔氮化硅陶瓷材料力學(xué)性能的兩項(xiàng)重要性能指標(biāo)。對(duì)于多孔氮化硅陶瓷材料來(lái)說(shuō)，影響其力學(xué)性能的主要因素是材料的孔隙率和組織結(jié)構(gòu)。
材料在受力過(guò)程中，孔隙相當(dāng)于缺陷，尤其是大孔隙，會(huì)成為材料的斷裂源，因此隨著孔隙率的增大，多孔陶瓷材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性均會(huì)降低，同時(shí)，孔隙分布不均勻會(huì)導(dǎo)致材料的局部快速失效，嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能。
多孔氮化硅陶瓷優(yōu)異的力學(xué)性能源于長(zhǎng)棒狀的β-Si3N4的交錯(cuò)搭接、相互咬合而產(chǎn)生自增韌作用，這種結(jié)構(gòu)在材料受力時(shí)能有效地阻止裂紋的擴(kuò)展，使材料內(nèi)部的微裂紋發(fā)生彎曲、偏轉(zhuǎn)，而等軸狀的α-Si3N4不能實(shí)現(xiàn)自增韌，強(qiáng)度較低。
介電性能
介電性能是評(píng)價(jià)多孔陶瓷材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，通常用介電常數(shù)（ε）和介電損耗（tanδ）這兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示，其中介電性能與孔隙率關(guān)系最為密切。有研究表明：介電常數(shù)和介電損耗隨著孔隙率的增大而減小。另外，隨著測(cè)試頻率的增加，多孔氮化硅陶瓷材料的介電常數(shù)和介電損耗都會(huì)有所減小，但幅度不大。
對(duì)于多孔氮化硅陶瓷材料來(lái)說(shuō)，介電常數(shù)（ε）和介電損耗（tanδ）的值越小，材料的介電性能越好，在保證力學(xué)性能的前提下增加孔隙率是要獲得優(yōu)異介電性能的主要途徑。
多孔氮化硅陶瓷的應(yīng)用
天線(xiàn)罩透波材料
透波材料是一種既可以減少射頻電磁波通過(guò)的損耗，又可以很好地抵御外界雨雪等有害環(huán)境影響的多功能介質(zhì)材料，可以應(yīng)用于雷達(dá)天線(xiàn)罩和天線(xiàn)窗板。其基本要求是：透波效果好、穩(wěn)定性高，對(duì)雷達(dá)信號(hào)影響小，具有良好的機(jī)械性能與耐腐蝕性能。針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用，多孔氮化硅陶瓷材料展示出了巨大的潛力。
國(guó)外從二十世紀(jì)50年代開(kāi)展了多孔氮化硅材料的研究，系統(tǒng)研究了制備方法、晶粒尺寸、氣孔率、氣孔大小等對(duì)相關(guān)性能的影響規(guī)律，已成功在導(dǎo)彈天線(xiàn)罩等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定化制備和應(yīng)用。
美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)等已經(jīng)制備出實(shí)用化的氮化硅基復(fù)合陶瓷天線(xiàn)罩；美國(guó)、以色列更是通過(guò)將低密度(1.0~2.2g/cm3，ε=2.24)多孔氮化硅芯層和高密度(2.8~3.2g/cm3，ε=5.0)氮化硅表層復(fù)合，研制出一種高性能寬頻疊層天線(xiàn)罩。
張偉儒通過(guò)采用Y2O3，Al2O3作為燒結(jié)助劑，氣氛壓力燒結(jié)工藝，成功地制備出了高強(qiáng)度多孔Si3N4陶瓷透波材料。通過(guò)SEM對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在適當(dāng)?shù)墓に囅驴梢灾频脧澢鷱?qiáng)度大于160 MPa，氣孔率>50%的多孔氮化硅陶瓷。并討論了多孔氮化硅形成的機(jī)制和高強(qiáng)度的主要原因。
骨替代材料
生物陶瓷材料需要具有較強(qiáng)的抗壓縮性與耐磨性等物理屬性，而且在植入生物體時(shí)較好的生物組織相容性也是一個(gè)值得注意的關(guān)鍵要素。
世界上每年由于創(chuàng)傷、感染、腫瘤等引起的關(guān)節(jié)置換手術(shù)約有400萬(wàn)次，自體骨移植移植量有限，不能滿(mǎn)足需求。氮化硅具有良好的生物相容性、抗菌性、穩(wěn)定性及機(jī)械性能，有望成為長(zhǎng)壽命骨替代材料。致密氮化硅與主體骨間彈性模量差異巨大，導(dǎo)致植入體界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，植入體失效。氮化硅陶瓷的多孔化可解決上述問(wèn)題，使得氮化硅移植材料的力學(xué)性能與主體骨相匹配。
目前，對(duì)于生物骨科材料的要求日益增多，多孔氮化硅陶瓷材料作為生物陶瓷材料中的一員，必將促進(jìn)今后生物材料發(fā)展。
過(guò)濾是生產(chǎn)過(guò)程中極其重要的一環(huán)，過(guò)濾材料對(duì)于過(guò)濾特性、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性都有一定的要求。多孔陶瓷材料不僅在氣體凈化過(guò)濾方面應(yīng)用廣泛，還可以有效過(guò)濾多種類(lèi)型的溶液。多孔氮化硅陶瓷具有可調(diào)節(jié)的氣孔、良好的耐腐蝕性與化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，這類(lèi)特點(diǎn)是其作為過(guò)濾材料的良好的基礎(chǔ)。
催化劑載體
催化劑載體通常是催化劑活性組分的骨架，起到支撐與負(fù)載的作用，其自身一般并不具有催化活性，有時(shí)也充當(dāng)催化劑的作用，因其種類(lèi)眾多所以在不同的領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用。催化劑載體要求有一定的吸附性和可塑性，具有一定熱穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)度。
多孔氮化硅陶瓷作為一種多孔性陶瓷材料，具有強(qiáng)度高和化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，符合催化劑載體的要求。隨著科技的發(fā)展，對(duì)于高效環(huán)保的多孔陶瓷載體的需求日益增大，催化劑載體的強(qiáng)度和耐腐蝕性也有了更高的要求，多孔氮化硅陶瓷憑借自身的優(yōu)勢(shì)為科技研究提供了便利。
其它領(lǐng)域
冶金工業(yè)逐漸邁向大型化、連續(xù)化、自動(dòng)化、無(wú)污染、低消耗等方向，多孔氮化硅陶瓷材料作為該領(lǐng)域的一種新型潛力材料，不斷被世界各國(guó)冶金企業(yè)所采用，主要是用于制作熱電偶測(cè)溫保護(hù)套管、發(fā)熱體夾具、鋁電解槽襯里、鋁液導(dǎo)管、燃燒嘴、坩堝等熱工設(shè)備上的部件。
在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域，主要用來(lái)制造燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)向葉片和渦輪葉片、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)刮片、發(fā)動(dòng)機(jī)、密封環(huán)、高溫軸承、高速切削工具、永久性模具等。
參考來(lái)源：
高比強(qiáng)多孔Si3N4陶瓷透波材料的研究，張偉儒，中材高新材料股份有限公司2020
定向孔結(jié)構(gòu)多孔氮化硅陶瓷的微結(jié)構(gòu)控制及其壓縮性能研究，歐陽(yáng)嫦娥，哈爾濱工業(yè)大學(xué)2020
多孔氮化硅陶瓷的研究進(jìn)展及構(gòu)效關(guān)系中的矛盾平衡，馬茸茸等，西安建筑科技大學(xué)2020
多孔氮化硅陶瓷的研究進(jìn)展及應(yīng)用，江雨航等，南京工業(yè)大學(xué)2020
多孔氮化硅陶瓷制備方法的研究進(jìn)展，王鵬舉等，河海大學(xué)2014
高性能多孔氮化硅陶瓷的制備進(jìn)展及應(yīng)用，杜芳林等，青島科技大學(xué)2016
凝膠注模成型多孔氮化硅陶瓷制備技術(shù)研究，張訓(xùn)虎，哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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