【建议收藏】近乎完美的多孔氮化硅陶瓷，有哪些高大上的应用？

■ 信息来源 |上海有色金属行业协会、粉体网（本文由“SAGSI 硅基新材料”整理后发布，转载请注明出处）

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多孔氮化硅陶瓷兼具氮化硅陶瓷与多孔材料的性质，既具有氮化硅陶瓷的高强度、韧性好、抗蠕变性、结构稳定性、抗雨蚀、抗热冲击性能优良的优点，也具有多孔材料密度小、介电常数和介电损耗小等特性。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。

这些应用得益于多孔氮化硅陶瓷体内存在大量气孔及其所提供的细小空间、通道和表面对流体输运过程的控制作用以及对电磁波的透过作用。因而，多孔氮化硅陶瓷的气孔率、强度、孔径分布、比表面积是核心指标，气孔形貌等显微结构和表面性质是关键因素，它们决定着多孔氮化硅陶瓷的力学性能和透波性能，及流体的渗透性、输运机制、负载能力和吸附能力，显著影响其应用范围和潜力。

多孔氮化硅陶瓷

（图片来源：多孔氮化硅陶瓷的研究进展及构效关系中的矛盾平衡，马茸茸等）

多孔氮化硅陶瓷的性能

孔隙率

孔隙率是固相颗粒之间的空隙体积占总体积的比例，是表征多孔陶瓷的最重要参数之一。为了制备多孔氮化硅陶瓷，一般情况下会从原材料的成分设计和陶瓷的合成制备工艺等方面来综合考虑。
原材料的成分设计主要包括原始粉料的选择、固相含量、有机物含量等。制备多孔氮化硅陶瓷所采用的基本原料均为等轴状的α-Si₃N₄粉体，烧结助剂有很多种。
多孔氮化硅陶瓷的合成制备方法主要有：添加造孔剂法、挤压烧结法、流延法、反应烧结法、冷冻干燥法和凝胶注模法等。不同的合成制备方法对多孔氮化硅陶瓷材料孔隙有不同的影响。

不同的合成制备方法对孔隙率、孔径的影响

（来源：多孔氮化硅陶瓷制备方法的研究进展，王鹏举等）

力学性能

一般情况下，弯曲强度和断裂韧性是判断多孔氮化硅陶瓷材料力学性能的两项重要性能指标。对于多孔氮化硅陶瓷材料来说，影响其力学性能的主要因素是材料的孔隙率和组织结构。
材料在受力过程中，孔隙相当于缺陷，尤其是大孔隙，会成为材料的断裂源，因此随着孔隙率的增大，多孔陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性均会降低，同时，孔隙分布不均匀会导致材料的局部快速失效，严重影响材料的力学性能。
多孔氮化硅陶瓷优异的力学性能源于长棒状的β-Si₃N₄的交错搭接、相互咬合而产生自增韧作用，这种结构在材料受力时能有效地阻止裂纹的扩展，使材料内部的微裂纹发生弯曲、偏转，而等轴状的α-Si₃N₄不能实现自增韧，强度较低。

介电性能

介电性能是评价多孔陶瓷材料的一项重要性能指标，通常用介电常数（ε）和介电损耗（tanδ）这两个参数来表示，其中介电性能与孔隙率关系最为密切。有研究表明：介电常数和介电损耗随着孔隙率的增大而减小。另外随着测试频率的增加，多孔氮化硅陶瓷材料的介电常数和介电损耗都会有所减小，但幅度不大。
对于多孔氮化硅陶瓷材料来说，介电常数（ε）和介电损耗（tanδ）的值越小，材料的介电性能越好，在保证力学性能的前提下增加孔隙率是要获得优异介电性能的主要途径。

多孔氮化硅陶瓷的应用

天线罩透波材料

透波材料是一种既可以减少射频电磁波通过的损耗，又可以很好地抵御外界雨雪等有害环境影响的多功能介质材料，可以应用于雷达天线罩和天线窗板。其基本要求是：透波效果好、稳定性高，对雷达信号影响小，具有良好的机械性能与耐腐蚀性能。针对这类应用，多孔氮化硅陶瓷材料展示出了巨大的潜力。
国外从二十世纪50年代开展了多孔氮化硅材料的研究，系统研究了制备方法、晶粒尺寸、气孔率、气孔大小等对相关性能的影响规律，已成功在导弹天线罩等领域实现稳定化制备和应用。
美国、俄罗斯、法国等已经制备出实用化的氮化硅基复合陶瓷天线罩；美国、以色列更是通过将低密度(1.0~2.2g/cm³，ε=2.24)多孔氮化硅芯层和高密度(2.8~3.2g/cm³，ε=5.0)氮化硅表层复合，研制出一种高性能宽频叠层天线罩。
张伟儒通过采用Y₂O₃，Al₂O₃作为烧结助剂，气氛压力烧结工艺，成功地制备出了高强度多孔Si₃N₄陶瓷透波材料。通过SEM对材料微观结构进行了研究。实验结果表明：在适当的工艺下可以制得弯曲强度大于160 MPa，气孔率>50%的多孔氮化硅陶瓷。

骨替代材料

生物陶瓷材料需要具有较强的抗压缩性与耐磨性等物理属性，而且在植入生物体时较好的生物组织相容性也是一个值得注意的关键要素。
世界上每年由于创伤、感染、肿瘤等引起的关节置换手术约有400万次，自体骨移植移植量有限，不能满足需求。氮化硅具有良好的生物相容性、抗菌性、稳定性及机械性能，有望成为长寿命骨替代材料。据中国粉体网了解，致密氮化硅与主体骨间弹性模量差异巨大，导致植入体界面处产生应力集中，植入体失效。氮化硅陶瓷的多孔化可解决上述问题，使得氮化硅移植材料的力学性能与主体骨相匹配。
目前，对于生物骨科材料的要求日益增多，多孔氮化硅陶瓷材料作为生物陶瓷材料中的一员，必将促进今后生物材料发展。

过滤材料

过滤是生产过程中极其重要的一环，过滤材料对于过滤特性、机械性能和化学稳定性都有一定的要求。多孔陶瓷材料不仅在气体净化过滤方面应用广泛，还可以有效过滤多种类型的溶液。多孔氮化硅陶瓷具有可调节的气孔、良好的耐腐蚀性与化学性质稳定的特点，这类特点是其作为过滤材料的良好的基础。

催化剂载体

催化剂载体通常是催化剂活性组分的骨架，起到支撑与负载的作用，其自身一般并不具有催化活性，有时也充当催化剂的作用，因其种类众多所以在不同的领域都有着良好的应用。催化剂载体要求有一定的吸附性和可塑性，具有一定热稳定性与机械强度。
多孔氮化硅陶瓷作为一种多孔性陶瓷材料，具有强度高和化学稳定性好的特点，符合催化剂载体的要求。随着科技的发展，对于高效环保的多孔陶瓷载体的需求日益增大，催化剂载体的强度和耐腐蚀性也有了更高的要求，多孔氮化硅陶瓷凭借自身的优势为科技研究提供了便利。

其他领域

冶金工业逐渐迈向大型化、连续化、自动化、无污染、低消耗等方向，多孔氮化硅陶瓷材料作为该领域的一种新型潜力材料，不断被世界各国冶金企业所采用，主要是用于制作热电偶测温保护套管、发热体夹具、铝电解槽衬里、铝液导管、燃烧嘴、坩埚等热工设备上的部件。
在机械工业领域，主要用来制造燃气轮机的导向叶片和涡轮叶片、转子发动机刮片、发动机、密封环、高温轴承、高速切削工具、永久性模具等。

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