氮化硅多孔陶瓷既是優良的高溫結構材料，又是新型的功能材料。具有體積密度小、比表面積大及獨特的物理表面特性，對液體和氣體介質有選擇性透過性，具有能量吸收或阻尼特性，并具有陶瓷特有的耐高溫、耐腐蝕、高的化學穩定性和尺寸穩定性。目前，在過濾、凈化分離、化工催化載體、吸聲減震、高級保溫材料和傳感材料等領域，具有廣闊的應用前景。

一、氮化硅多孔陶瓷制備方法

氮化硅多孔陶瓷的制備方法主要有碳熱還原法、添加造孔劑、凝膠鑄模法、部分熱壓法、添加造孔劑法等。

目前，增強相（孔）的大小形狀及分布、基體材料（氮化硅）本身的性質、基體材料與增強相之間的相互作用等，是氮化硅多孔陶瓷的研究熱點。

（一）碳熱還原法制備

碳熱還原法制備多孔氮化硅是通過二氧化硅和碳在高溫氮氣氣氛下的碳熱還原反應原位生成α-Si₃N₄，后在燒結助劑的作用下相變成β-Si₃N₄。其中由于44%的反應失重得到多孔氮化硅。

碳熱還原法優點是：（1）燒結體的孔徑較小，比表面積大，而且形成的是空間網絡結構，可用作過濾器件。（2）產物表現出多樣性，可滿足不同應用的需求。

（二）凝膠鑄模成型制備

凝膠鑄模法制備多孔氮化硅陶瓷是利用柱狀的β-Si₃N₄晶粒搭建多孔結構，以SiO₂溶膠作為成型的單體，利用溶膠的凝膠過程成型后，進行燒結。

圖1  凝膠鑄模法制備多孔氮化硅陶瓷工藝流程圖

凝膠鑄模法優點是：（1）可以使Si₃N₄在空氣氣氛下燒結，而不必添加保護氣氛。

（2）SiO₂在燒結過程中可以作為燒結助劑，提高了燒結體的強度。

（3）無需加入大量有機物，簡化了燒結工藝，保證了制品的性能。

（三）部分熱壓法

部分熱壓是以Y₂O₃、MgO和CaO為添加劑，制備氣孔率在0.009~0.236的多孔氮化硅陶瓷。該法制備的多孔氮化硅陶瓷是由眾多長柱狀的β-Si₃N₄晶粒及部分殘余的α- Si₃N₄構成，氣孔由長柱狀的β- Si₃N₄搭接形成，其形狀不規則。

部分熱壓制備氮化硅多孔陶瓷的工藝過程：

（1）混料。把Si₃N₄粉體與5%（質量分數）的Y₂O₃（純度>99.9%，平均粒徑為1μm），0.5%的MgO，0.5%的CaO混合。

（2）球磨。加入適量乙醇，在行星式球磨機濕磨24小時，球磨得到的漿料干燥后，通過粒徑為74μm篩網過篩備用。

（3）熱壓燒結。所用石墨模具由上壓頭，下壓頭組成，腔體內徑為?62mm，通過控制熱壓燒結石墨模具的上下壓頭高度和裝料量，從而使試樣經過一段時間的熱壓燒結，體積收縮到一定程度（試樣高度+上壓頭高度+下壓頭高度≤外模高度）后，壓力傳遞到石墨模具外模上，直至燒結過程完成。

部分熱壓法優點是：（1）可以控制多孔陶瓷氣孔率；（2）不需添加劑。

（四）添加造孔劑法

造孔劑法是通過在Si₃N₄陶瓷粉體中添加造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據一定的空間，然后經過燒結，造孔劑離開基體而成氣孔來制備Si₃N₄多孔陶瓷。

造孔劑的種類、粒徑和用量的選擇十分考究。常用的造孔劑分為無機和有機兩類。無機造孔劑有碳酸銨、碳酸鈣、碳酸氫銨、氯化銨等高溫可分解鹽類；有機造孔劑主要是天然纖維、高分子聚合物和有機酸等。

造孔劑法優點是（1）可以制備各種不同孔徑及分布的多孔陶瓷，滿足各種使用要求；（2）成本最低。

（五）淀粉固結工藝制備

淀粉固結法是以氮化硅、氮化硼,和二氧化硅作為陶瓷基體材料，通過淀粉固結工藝，采用常壓部分氧化燒結制備Si₃N₄多孔陶瓷。并通過控制淀粉的體積分數、尺寸和幾何形狀來控制孔隙率和孔結構，從而控制材料的最終性能。

目前，通過添加淀粉作為造孔劑及固結劑，采用部分氧化燒結工藝，已成功制備出顯氣孔率高達73. 17% 的多孔氮化硅基復合材料。

（六）擠壓成型制備

擠壓成型制備多孔氮化硅陶瓷是以甲基纖維素作粘結劑配制氮化硅泥料，利用柱塞式擠壓模具通過擠壓成形法制備多孔氮化硅陶瓷。所用的氮化硅粉體中α相含量大于95%，平均粒徑約為1 μm。甲基纖維素作為粘結劑，氧化釔作為燒結助劑。工藝流程是：

（1）干混。把氮化硅、氧化釔和甲基纖維素粉末進行干混。

（2）輪碾。加入水和甘油在研缽中輪輾約20 min，以打破顆粒團聚并獲得組分均勻的泥料。原料中各成分配比為(質量分數)：氮化硅：68.6 %，氧化釔：3.4 %，甲基纖維素：2.3 %，水：18.8 %，甘油：6.9 %，最終泥料中液相體積分數為50.3%。

（3）擠壓成型。把泥料放入自制的柱塞式擠壓模具中在常溫下進行擠壓成型，制備氮化硅多孔陶瓷坯體，

（4）干燥。在40 ℃下烘干試樣。

（5）燒結。將試樣放入涂有氮化硼的石墨坩堝里，在燒結爐中燒結。燒結溫度為1750 ℃，燒結氣氛為0.5 MPa 的氮氣壓，時間為2 h。

二、氮化硅多孔陶瓷應用

氮化硅多孔陶瓷作為一種性能優異、前景廣闊的新型多孔材料，其作為過濾、分離、吸音、敏感材料及生物陶瓷，可廣泛應用于化工、環保、生物等領域。

（1）過濾及分離。Si₃N₄多孔陶瓷作為過濾裝置，具有過濾面積大，過濾效率高的特點，再加上耐高溫、耐磨損、耐化學腐蝕、機械強度高等優點，在腐蝕性流體、高溫流體、熔融金屬以及過濾流體中的放射性物質等應用領域，將有其獨特的優勢。

Si₃N₄多孔陶瓷過濾裝置，

（2）防火材料。作為吸音材料的多孔陶瓷要求較小的孔徑（20～150μm），相當高的氣孔率（60%以上）及較高的機械強度。由于氮化硅陶瓷具有優良的耐火性和耐氣候性，因而Si₃N₄多孔陶瓷可望用在地鐵等防火要求極高的場合。

Si₃N₄多孔陶瓷防火材料

（3）用作隔膜材料。目前廣泛使用的多孔陶瓷膜材質有氧化鋁質、石英質、硅酸鋁質。實驗證明氮化硅質的多孔陶瓷隔膜材料強度明顯高于常用氧化鋁質，因而在固體氧化物隔膜領域應用前景廣闊。 

應用于手機的氮化硅質的多孔陶瓷隔膜材料

（4）用作敏感元件。多孔陶瓷可用作濕敏傳感器、測量壓力及紅外發射、吸收等元件，且氮化硅陶瓷耐高溫、耐腐蝕，適應許多特殊場合，Si₃N₄多孔陶瓷在敏感元件上更具有廣闊的開發前景。

Si₃N₄多孔陶瓷敏感元件

（5）生物工程材料。由于Si₃N₄多孔陶瓷生物相容性好，理化性能穩定，無毒副作用，目前，氮化硅多孔陶瓷已成功應用于用作醫學、生物材料。

作者：李波濤