多孔氮化硅(Si3N4)陶瓷具有轻质、高性能、耐高温、低介电常数等优点，被广泛用作气体及液体过滤材料、热交换器、净化分离、化工催化载体、高级保温材料及透波材料等。在常压液相烧结制备多孔氮化硅陶瓷时，烧结助剂形成的液相促进陶瓷致密化及相转变过程，室温下形成含氧晶间玻璃相，导致氮化硅陶瓷在高温和耐蚀环境下性能显著下降。为了改善多孔氮化硅陶瓷的使用性能，本论文首先对多孔氮化硅陶瓷的组织和性能进行优化，研究了原料、成型工艺及烧结条件等各因素的影响，进一步通过晶界相去除-含硅物质渗入-补强烧结的路线，以Si3N4相原位替换氧化物晶间相的思路，获得由纯Si3N4相组成的氮化硅结合的多孔Si3N4陶瓷，研究了工艺因素对材料组织的影响和氮化硅陶瓷的高温性能和耐腐蚀性。
选用α-Si3N4粉体为原料，氧化钇为烧结助剂，采用模压成型及注浆成型工艺，通过无压液相烧结法制备多孔氮化硅陶瓷，研究材料的结构均匀性和棒状组织的生长情况。以优化的多孔氮化硅陶瓷为基体，采用无机酸腐蚀方法去除陶瓷晶界位置的玻璃相和氧化物，进一步渗入酚醛树脂/SiO2溶胶，最后通过碳热还原氮化在陶瓷晶界位置形成新的Si3N4相，通过工艺因素的研究优化各个工艺过程，研究组织变化与材料性能之间的关系，获得了氮化硅陶瓷的高温性能和耐腐蚀性的极大改善。本实验利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和差热-热重(TGA-DSC)等技术手段对试样进行成分分析、结构表征及性能测试。
用等轴α-Si3N4粉添加不同比例纤维状α-Si3N4粉，或以不同粒径纤维状α-Si3N4粉为原料，5wt.%　Y2O3粉为烧结助剂，通过液相烧结制备具有可控气孔率多孔Si3N4陶瓷。实验发现：随着纤维状α-Si3N4粉含量的提高，坯体的气孔率增加；通过抑制烧结初期颗粒重排，减小烧结线收缩率并提高了气孔率；通过降低原料粉表面能，减少相转变过程中β-Si3N4的晶核数量，β-Si3N4棒状晶逐渐变得粗大。纤维状α-Si3N4粉添加量由0wt.%增加到100wt.%，烧结体气孔率由47.8%增加至56.6%，陶瓷弯曲强度分别为142MPa和62MPa。研究了α-Si3N4粉纯度对于制备多孔氮化硅陶瓷晶间相组成及显微组织的影响。研究发现，在α-Si3N4粉中的金属杂质在高温下参与形成液相，从而增加液相含量，促进陶瓷烧结致密化过程，利于β-Si3N4晶粒瓷的生长和发育，提高多孔氮化硅陶瓷的力学性能。
研究了以不同粒径的氧化钇颗粒和α-Si3N4粉表面富氧层为添加剂对多孔氮化硅陶瓷显微组织和性能的影响。研究发现：随着Y2O3粒径的减小导致在坯体中分布点的增加，形成的液相分布也更加均匀，从而促进陶瓷致密化，线收缩率增加，气孔率下降。液相分布的均匀化使Si3N4的相转变扩散距离减小，促进β-Si3N4晶粒的生长，形成高长径比的β-Si3N4晶粒为主的微观组织，从而明显改善多孔氮化硅陶瓷的力学性能，其抗弯强度由205MPa增加至450MPa。Si3N4粉经过氧化预处理后，表面形成SiO2和Si2N2O为主的富氧保护层，Si3N4陶瓷浆料的浆料粘度由1600mPa?s下降至30mPa?s，分散性得到明显改善。但对材料组织和性能影响较大，线收缩率增加，气孔率下降，Si3N4的相转变受到抑制，形成低长径比的β-Si3N4细小晶粒。
研究了不同氮气压力对氮化硅的烧结行为、显微组织和力学性能的影响。发现随着氮气压力提高，多孔陶瓷线收缩降低，气孔率增加，β-Si3N4晶粒长径比增加。分析认为，随着氮气压力提高，液相中N含量增加，粘度提高，抑制了致密化和β-Si3N4形核。N含量提高有利于β-Si3N4晶粒长大，明显改善了多孔氮化硅陶瓷力学性能。氮气压力为0.3MPa时，多孔氮化硅陶瓷气孔率为51.2%，抗弯强度为182MPa。
以无压液相烧结制备的性能优异的多孔氮化硅陶瓷为基体，用酸液浸泡多孔氮化硅陶瓷以去除陶瓷晶间相，然后采用真空浸渍工艺将酚醛树脂与SiO2混合溶胶浸渍到去除晶间相的多孔陶瓷内，通过碳热还原氮化生成的Si3N4相将棒状组织连接，获得氮化硅结合的多孔Si3N4陶瓷。研究发现，在酸腐蚀去除陶瓷晶间相过程中，陶瓷基体在2mol/L　HF和1mol/L　HCl中浸泡7d和12h的陶瓷试样失重达到10.3%和9%，达到去除晶间玻璃相的目的，HCl腐蚀液不会对氮化硅晶粒造成破坏。以固含量为17%的溶液浸渍6次后累计增重为15.3%，在1500℃　0.5MPa的N2压力下烧结2h，试样增重10%，强度回复到303MPa，采用X射线衍射推测新生成的相为β氮化硅，通过显微组织观察发现棒状晶粒被重新粘接。当温度为1400℃时，制备的氮化硅结合的多孔Si3N4陶瓷的抗弯强度达到280MPa，保持了室温强度的92%，进行酸腐蚀实验发现在70℃的1mol/L　HCl中腐蚀后陶瓷失重仅为0.5%，并对多孔Si3N4陶瓷的酸腐蚀过程进行机理分析及动力学过程研究。