Mg2Si添加对Si3N4多孔陶瓷显微结构与力学性能的影响开题报告

全文总字数：9510字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 概述

多孔陶瓷具有高的孔隙率、比面积，重量轻，渗透性好，吸附性好等特性，因此，可作为燃料电池，过滤装置，吸附装置，催化剂载体，外科植入物和反应器等广泛应用于工业和工程领域。氮化硅陶瓷作为一种重要的结构功能材料，具有低密度、高抗弯强度、良好的抗热震性以及化学性质稳定等优点，在高温应用陶瓷部件、化工设备以及机械装备等领域有着广泛的应用前景，而多孔氮化硅陶瓷则具有高的比表面积、气孔率、渗透性、抗热震性和长流体通道以及低的表观密度、热容、热导率和更低的介电常数和介电损耗。因此，多孔氮化硅陶瓷特别适用于高温和侵蚀等特殊环境下的气液流体过滤器、催化剂载体、分离膜、宽频透波材料、复合材料增强体、热交换器、生物反应器和人体组织构件等。

1.2 制备工艺

在国内外学者提出了众多制备性能优异的si₃n₄多孔陶瓷的方法，由于多孔si₃n₄的具体制备方法种类繁杂，现将其两大类八小类，如图一所示。其中两大类分别是烧结形成气孔法和通过成形引入气孔法。前者是利用原料颗粒在在烧结过程中发生物理化学变化，直接形成si₃n₄的孔结构。根据原料的不同以及烧结过程中会发生的变化，可细分为不完全烧结法、相变烧结法、反应烧结法和碳热还原氮化法。后者是人为地在陶瓷坯体中引入气孔或者牺牲某一相，再经过高温烧结形成si₃n₄的孔结构。根据气孔引入方法的不同可将其细分为挤出成形法、直接发泡法、模板复制法和牺牲模板法。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

Si₃N₄多孔陶瓷具有高温强度高、比重小、抗氧化、抗热震、耐磨、高导热及微波吸收能力等特点，在过滤材料、催化剂载体、吸声材料及复合材料骨架等方面应用广泛，是当前研究的一个热点。本课题选择新型烧结助剂Mg₂Si，通过相变烧结法来烧结SiC多孔陶瓷，研究助剂和烧结工艺对Si₃N₄多孔陶瓷显微结构和力学性能的影响。

1、文献调研，了解国内外相关研究概况和发展趋势，了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系。

2、不同含量Mg₂Si烧结助剂与Si₃N₄混合后烧结，制备Si₃N₄多孔陶瓷。

3、采用SEM、XRD、材料试验机等测试手段表征材料的结构和力学性能。

4、分析总结数据，撰写毕业论文。

2.2 研究目标

1、探明Mg₂Si添加对Si₃N₄多孔陶瓷显微结构与力学性能的影响。

2、制备出孔隙可控的Si₃N₄多孔陶瓷。

2.3 技术方案

2.3.1 材料制备

陶瓷胚体制备：用Si₃N₄与不同含量的Mg₂Si 粘结剂（PVA）混合，在30MPa的压力下干压制成胚体。

Mg₂Si的质量比在2.5~20.0wt%范围内变化,PVA溶液（10%水溶液）为固体物质的6wt.%（具体配比如下）

烧结：将制成的陶瓷胚体放入高温炉置于Si₃N₄粉中埋烧或在高温气氛炉中埋烧，烧结温度为1600℃。胚体先以4°C/min的加热速率加热至200°C，在以12℃/min的加热速率加热至800摄氏度，保温2h，此过程为排胶。然后，先以12°C/min的加热速率加热到1400℃，再以4°C/min的加热速率加热至1600℃，并保温5h。最终，降温至室温取出样品进行下一步实验分析。

2.3.2 材料表征

材料组织、成分、物相分析：利用扫描电子显微镜（SEM）、SEM中的能谱（EDS）和X射线衍射仪（XRD）进行分析。

硬度：采用显微硬度计测量。

开孔率：利用阿基米德法测定。

陶瓷强度：利用三点弯曲法测定。

孔径分布：利用水银测定法测定。

3. 研究计划与安排

1-2周：查阅文献、撰写开题报告；

3-4周：进行实验准备，完成英文文献翻译；

4. 参考文献（12篇以上）

1.zhi-yong luo, wei han, xiao-jie yu, wen-qing ao, kai-qi liu，in-situ reaction bonding to obtain porous sic membrane supports with excellent mechanical and permeable performance，ceramics international 45 (2019) 9007–9016

2.yong-hyeon kim, young-wook kim, won-seon seo，processing and properties of silica-bonded porous nano-sic ceramics with extremely low thermal conductivity，journal of the european ceramic society，doi:https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.11.072

3.tian gu, fei chen, qiang shen, lianmeng zhang，low-temperature preparation of porous sic ceramics using phosphoric acid as a pore-forming agent and a binder，ceramics international 45 (2019) 16470–16475