一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料及致密异形氮化硅陶瓷材料的方法

摘要

一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料及致密异形氮化硅陶瓷材料的方法，它涉及一种制备氮化硅陶瓷材料的方法。本发明的目的是要解决现有制备致密氮化硅陶瓷材料的方法成本高，烧结块体积小，后续加工困难，致密度低，强度差和制备致密异形氮化硅陶瓷材料致密度低和强度差的问题。致密氮化硅陶瓷材料的方法的制备方法：一、添加烧结助剂；二、制备浆料；三、制备氮化硅陶瓷生带；四、制备排胶后的氮化硅基板生坯；五、烧结。致密异形氮化硅陶瓷材料的制备方法：一、添加烧结助剂；二、制备浆料；三、制备氮化硅陶瓷生带；四、制备排胶后的异形氮化硅材料生坯；五、烧结。本发明可获得致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氮化硅陶瓷材料的方法。

背景技术

氮化硅材料具有一系列优异的性能，例如：低密度、高强度、良好的抗热震性、耐磨 性、断裂韧性、抗机械疲劳、抗蠕变性和抗氧化性能。Si₃N₄陶瓷在各领域中有广泛的应 用，其中Si₃N₄晶须增强的Si₃N₄陶瓷可用在陶瓷刀具、拔丝模、轴承、涡轮转子、耐热 增涡等多方面。要想获得具有优异性能的高度致密化的氮化硅陶瓷，不仅要优化材料的组 成成分，而且要使用符合一定要求的氮化硅原始粉末。

氮化硅陶瓷材料具有一系列优异的机械性能及物理化学性能，因此它具有广泛的应用 范围和开发前景，在工具陶瓷材料、高温结构材料、耐磨陶瓷材料和耐腐蚀陶瓷材料几个 方面，氮化硅陶瓷具有极大的应用潜力和市场。十九世纪七十年提出了高速金属切割的概 念，八十年代氮化硅基切削刀具进入了商业化，氮化硅刀具切削铸铁、硬质钢和镍基合金 的表面速度达到用传统材料制造的刀具(如WC刀具)切削速度的25倍。现在陶瓷刀具市 场中占主要市场的是细晶粒的Al₂O₃刀具，与Al₂O₃刀具相比，氮化硅刀具具有更高的 韧性和适应切削时产生的温度快速变化，因此，相信只要降低制造成本，氮化硅陶瓷刀具 将具有广阔的市场。它在冶金和热加工工业上被广泛用于测温热电偶套管、焊接夹具及固 定装置、焊接喷嘴、铸模、柑塌、烧舟、马弗炉炉膛、燃烧嘴、发热体夹具、炼铝炉炉衬、 铝液导管、铝包内衬、铝电解槽衬里、热辐射管、高温鼓风机和阀门等；钢铁工业上用作 炼钢水平连铸机上的分流环。利用它耐磨性好、强度高、摩擦系数小和刚度高的特点，它 被广泛用于机械工业上在高温条件下使用的轴承滚珠、滚柱、滚珠座圈、、柱塞泵、密封 材料等。此外，它还被用于电子、军事和核工业上，如开关电路基片、薄膜电容器、高温 绝缘体、雷达天线罩、导弹尾喷管、炮筒内衬、核反应堆的支承、隔离件和核裂变物质的 载体等。

致密氮化硅陶瓷材料的制备方法较多，例如，热压烧结、SPS烧结等，但是这些方法 只能制备平板材料，对于异形材料无法制备，同时其烧结成本高，烧结块体体积小，后续 加工困难。制备异形材料的方法包括：冷冻成型，注浆成型等，这些成型方式制备的材料， 其致密度低，强度差，实际使用存在较大困难。

发明内容

本发明的目的是要解决现有制备致密氮化硅陶瓷材料的方法成本高，烧结块体积小， 后续加工困难，致密度低，强度差和制备致密异形氮化硅陶瓷材料致密度低和强度差的问 题，而提供一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料及致密异形氮化硅陶瓷材料的方 法。

一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料的方法，是按以下步骤完成的：

一、添加烧结助剂：首先使用无水乙醇将氮化硅粉体和烧结助剂粉体混合，在搅拌速 度为300r/min～350r/min的条件下搅拌20h～24h，然后在温度为50℃～80℃干燥10～12h， 再机械粉碎，过筛，得到氮化硅/烧结助剂粉体；

步骤一所述的氮化硅粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的90%～95%；

步骤一所述的烧结助剂粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的5%～10%；

步骤一所述的氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量与无水乙醇的体积比为 1g:(10mL～15mL)；

步骤一所述的烧结助剂粉体为Y₂O₃粉体和Al₂O₃粉体的混合物，且所述的烧结助剂 粉体中Y₂O₃粉体与Al₂O₃粉体的质量比为3:2；

步骤一所述的氮化硅/烧结助剂粉体的粒径为1μm～5μm；

二、制备浆料：①向氮化硅/烧结助剂粉体中加入分散剂，调节pH至9～11，再加入 去离子水，在搅拌速度为300r/min～350r/min的条件下搅拌10h～12h，得到氮化硅/烧结助 剂悬浮液；②向氮化硅/烧结助剂悬浮液中加入聚乙烯醇溶液和甘油，在搅拌速度为 300r/min～350r/min的条件下搅拌1.5h～2h，再加入正丁醇，真空度为0.1Pa～1Pa的条件下 除泡0.5h～1h，得到浆料；

步骤二所述的分散剂为丙烯酸树脂；

步骤二所述的氮化硅/烧结助剂粉体的质量与分散剂的质量比为(99～99.5):1；

步骤二所述的去离子水的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.6～0.8):1；

步骤二所述的聚乙烯醇溶液的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.04～0.09):1；

步骤二所述的甘油的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.1～0.22):1；

步骤二所述的正丁醇的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.01～0.02):1；

三、制备氮化硅陶瓷生带：将浆料倾倒在玻璃基板上进行流延成型，流延成型过程中 刮刀速度为10cm/min～20cm/min，将流延后的浆料在室温条件下干燥，干燥时间为 12h～20h，对玻璃基板进行剥离，得到厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带；

四、制备排胶后的氮化硅基板生坯：制备将厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带 进行裁剪，将裁剪后的氮化硅陶瓷生带放入模具中，在温度为60℃～80℃和压力为 50MPa～80MPa的条件下进行叠压，得到厚度为3mm～5mm的陶瓷基板生坯；将陶瓷基板 生坯.以0.3℃/min～0.5℃/min的升温速率从室温升温至215℃～250℃，并在温度为 215℃～250℃的条件下保温0.5h～1h，再以0.3℃/min～0.5℃/min的升温速率从215℃～250℃ 升温至600℃～650℃，并在温度为600℃～650℃的条件下保温1h～2h，得到排胶后的氮化 硅基板生坯；

五、烧结：将排胶后的氮化硅基板生坯放入N₂气氛下，烧结压力为0.5MPa～2MPa 的气压炉中，以10℃/min～15℃/min的升温速率升温至1500℃～1600℃，再在 1500℃～1600℃下保温2h～4h，再以10℃/min～15℃/min的升温速率升温至1850℃～1900℃， 保温2h～4h，得到致密氮化硅陶瓷材料。

一种水基流延成型制备致密异形氮化硅陶瓷材料的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、添加烧结助剂：首先使用无水乙醇将氮化硅粉体和烧结助剂粉体混合，在搅拌速 度为300r/min～350r/min的条件下搅拌20h～24h，然后在温度为50℃～80℃干燥10h～12h， 再机械粉碎，过筛，得到氮化硅/烧结助剂粉体；

步骤一所述的氮化硅粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的90%～95%；

步骤一所述的烧结助剂粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的5%～10%；

步骤一所述的氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量与无水乙醇的体积比为 1g:(10mL～15mL)；

步骤一所述的烧结助剂粉体为Y₂O₃粉体和Al₂O₃粉体的混合物，且所述的烧结助剂 粉体中Y₂O₃粉体与Al₂O₃粉体的质量比为3:2；

步骤一所述的氮化硅/烧结助剂粉体的粒径为1μm～5μm；

二、制备浆料：①向氮化硅/烧结助剂粉体中加入分散剂，调节pH至9～11，再加入 去离子水，在搅拌速度为300r/min～350r/min的条件下搅拌10h～12h，得到氮化硅/烧结助 剂悬浮液；②向氮化硅/烧结助剂悬浮液中加入聚乙烯醇溶液和甘油，在搅拌速度为 300r/min～350r/min的条件下搅拌1.5h～2h，再加入正丁醇，真空度为0.1Pa～1Pa的条件下 除泡0.5h～1h，得到浆料；

步骤二所述的分散剂为丙烯酸树脂；

步骤二所述的氮化硅/烧结助剂粉体的质量与分散剂的质量比为(99～99.5):1；

步骤二所述的去离子水的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.6～0.8):1；

步骤二所述的聚乙烯醇溶液的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.04～0.09):1；

步骤二所述的甘油的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.1～0.22):1；

步骤二所述的正丁醇的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.01～0.02):1；

三、制备氮化硅陶瓷生带：将浆料倾倒在玻璃基板上进行流延成型，流延成型过程中 刮刀速度为10cm/min～20cm/min，将流延后的浆料在室温条件下干燥，干燥时间为 12h～20h，对玻璃基板进行剥离，得到厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带；

四、制备排胶后的异形氮化硅材料生坯：将厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带 进行裁剪，将聚乙烯醇溶液涂覆在裁剪后的厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带上， 得到涂覆聚乙烯醇溶液后的氮化硅陶瓷生带；将涂覆聚乙烯醇溶液后的氮化硅陶瓷生带进 行粘接，得到粘接后的异形的氮化硅材料；将粘接后的异形的氮化硅材料进行真空密封后 进行静压成型，得到异形氮化硅材料生坯；将异形氮化硅材料生坯以0.3℃/min～0.5℃/min 的升温速率从室温升温至215℃～250℃，并在温度为215℃～250℃的条件下保温1h～2h， 再以0.3℃/min～0.5℃/min的升温速率从215℃～250℃升温至600℃～650℃，并在温度为 600℃～650℃的条件下保温1h～2h，得到排胶后的异形氮化硅材料生坯；

步骤四所述的涂覆厚度为0.1μm～1μm；

步骤四所述的静压成型的压力为150MPa～200MPa，保压时间为100s～200s；

五、烧结：将排胶后的异形氮化硅材料生坯放入N₂气氛下，烧结压力为0.5MPa～2MPa 的气压炉中，以10℃/min～15℃/min的升温速率升温至1500℃～1600℃，再在 1500℃～1600℃下保温2h～4h，再以10℃/min～15℃/min的升温速率升温至1850℃～1900℃， 保温2h～4h，得到致密异形氮化硅陶瓷材料。

本发明的优点：一、本发明采用采用水基流延成型/等静压成型法制备了致密氮化硅 陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶瓷材料，根据裁剪的形状，可以制备出任何复杂形状的致 密氮化硅陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶瓷材料，水基流延成型法以其生坯致密度高，烧 结收缩率小且均匀，在制备近终型、致密氮化硅陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶瓷材料领 域有广泛的研究和应用空间；

二、本发明制备的致密氮化硅陶瓷材料的致密度﹥98%，弯曲强度700MPa～900MPa， 收缩率12%～15%，加工量少，加工困难降低，完全可以满足基板材料的使用；本发明制 备的致密异形氮化硅陶瓷材料的致密度﹥98%，弯曲强度600MPa～700MPa，收缩率 12%～15%，加工量少，加工困难降低，完全可以满足基板材料的使用；

三、本发明制备的致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料与其他方法制备的 致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料相比，材料的致密度高、强度高，材料的 可设计性好，加工性能优越。以氮化硅陶瓷生带为原料，制备致密氮化硅陶瓷材料和致密 异形氮化硅陶瓷材料的精确度高，烧结厚度可控；氮化硅生带为基础条件下，可制备大尺 寸高硬度致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料；氮化硅陶瓷生带的可加工性能 好，可以进行裁剪、弯曲、粘接、印刷以及冲压等操作；同时，对于异形氮化硅陶瓷材料 可以满足诸如高温螺栓、工具模高温绝缘体、雷达天线罩、导弹尾喷管、炮筒内衬等部件 的使用要求；

四、本发明成本降低40%～60%。

本发明可获得致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料。

附图说明

图1是试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料的XRD谱图，图1中●为峰位置；

图2是试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料放大5000倍的SEM图；

图3是试验二步骤三得到厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带上表面SEM图；

图4是试验二步骤三得到厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带下表面SEM图；

图5是试验二得到致密异形氮化硅陶瓷材料的数码照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料的方法， 是按以下步骤完成的：

一、添加烧结助剂：首先使用无水乙醇将氮化硅粉体和烧结助剂粉体混合，在搅拌速 度为300r/min～350r/min的条件下搅拌20h～24h，然后在温度为50℃～80℃干燥10～12h， 再机械粉碎，过筛，得到氮化硅/烧结助剂粉体；

步骤一所述的氮化硅粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的90%～95%；

步骤一所述的烧结助剂粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的5%～10%；

步骤一所述的氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量与无水乙醇的体积比为 1g:(10mL～15mL)；

步骤一所述的烧结助剂粉体为Y₂O₃粉体和Al₂O₃粉体的混合物，且所述的烧结助剂 粉体中Y₂O₃粉体与Al₂O₃粉体的质量比为3:2；

步骤一所述的氮化硅/烧结助剂粉体的粒径为1μm～5μm；

二、制备浆料：①向氮化硅/烧结助剂粉体中加入分散剂，调节pH至9～11，再加入 去离子水，在搅拌速度为300r/min～350r/min的条件下搅拌10h～12h，得到氮化硅/烧结助 剂悬浮液；②向氮化硅/烧结助剂悬浮液中加入聚乙烯醇溶液和甘油，在搅拌速度为 300r/min～350r/min的条件下搅拌1.5h～2h，再加入正丁醇，真空度为0.1Pa～1Pa的条件下 除泡0.5h～1h，得到浆料；

步骤二所述的分散剂为为丙烯酸树脂；

步骤二所述的氮化硅/烧结助剂粉体的质量与分散剂的质量比为(99～99.5):1；

步骤二所述的去离子水的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.6～0.8):1；

步骤二所述的聚乙烯醇溶液的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.04～0.09):1；

步骤二所述的甘油的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.1～0.22):1；

步骤二所述的正丁醇的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.01～0.02):1；

三、制备氮化硅陶瓷生带：将浆料倾倒在玻璃基板上进行流延成型，流延成型过程中 刮刀速度为10cm/min～20cm/min，将流延后的浆料在室温条件下干燥，干燥时间为 12h～20h，对玻璃基板进行剥离，得到厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带；

四、制备排胶后的氮化硅基板生坯：制备将厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带 进行裁剪，将裁剪后的氮化硅陶瓷生带放入模具中，在温度为60℃～80℃和压力为 50MPa～80MPa的条件下进行叠压，得到厚度为3mm～5mm的陶瓷基板生坯；将陶瓷基板 生坯.以0.3℃/min～0.5℃/min的升温速率从室温升温至215℃～250℃，并在温度为 215℃～250℃的条件下保温0.5h～1h，再以0.3℃/min～0.5℃/min的升温速率从215℃～250℃ 升温至600℃～650℃，并在温度为600℃～650℃的条件下保温1h～2h，得到排胶后的氮化 硅基板生坯；

五、烧结：将排胶后的氮化硅基板生坯放入N₂气氛下，烧结压力为0.5MPa～2MPa 的气压炉中，以10℃/min～15℃/min的升温速率升温至1500℃～1600℃，再在 1500℃～1600℃下保温2h～4h，再以10℃/min～15℃/min的升温速率升温至1850℃～1900℃， 保温2h～4h，得到致密氮化硅陶瓷材料。

本实施方式的优点：一、本实施方式采用采用水基流延成型/等静压成型法制备了致 密氮化硅陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶瓷材料，根据裁剪的形状，可以制备出任何复杂 形状的致密氮化硅陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶瓷材料，水基流延成型法以其生坯致密 度高，烧结收缩率小且均匀，在制备近终型、致密氮化硅陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶 瓷材料领域有广泛的研究和应用空间；

二、本实施方式制备的致密氮化硅陶瓷材料的致密度﹥98%，弯曲强度 700MPa～900MPa，收缩率12%～15%，加工量少，加工困难降低，完全可以满足基板材料 的使用；本实施方式制备的致密异形氮化硅陶瓷材料的致密度﹥98%，弯曲强度 600MPa～700MPa，收缩率12%～15%，加工量少，加工困难降低，完全可以满足基板材料 的使用；

三、本实施方式制备的致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料与其他方法制 备的致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料相比，材料的致密度高、强度高，材 料的可设计性好，加工性能优越。以氮化硅陶瓷生带为原料，制备致密氮化硅陶瓷材料和 致密异形氮化硅陶瓷材料的精确度高，烧结厚度可控；氮化硅生带为基础条件下，可制备 大尺寸高硬度致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料；氮化硅陶瓷生带的可加工 性能好，可以进行裁剪、弯曲、粘接、印刷以及冲压等操作；同时，对于异形氮化硅陶瓷 材料可以满足诸如高温螺栓、工具模高温绝缘体、雷达天线罩、导弹尾喷管、炮筒内衬等 部件的使用要求；

四、本实施方式成本降低40%～60%。

本实施方式可获得致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤二所述的聚乙烯醇溶 液的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.06～0.08):1。其他步骤与具体实施方式一相 同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤三中将浆料 倾倒在玻璃基板上进行流延成型，流延成型过程中刮刀速度为15cm/min～20cm/min，将流 延后的浆料在室温条件下干燥，干燥时间为16h～20h，对玻璃基板进行剥离，得到厚度为 200μm～300μm的氮化硅陶瓷生带。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤四中制备将 厚度为200μm～300μm的氮化硅陶瓷生带进行裁剪，将裁剪后的氮化硅陶瓷生带放入模具 中，在温度为70℃～80℃和压力为60MPa～80MPa的条件下进行叠压，得到厚度为 4mm～5mm的陶瓷基板生坯；将陶瓷基板生坯.以0.4℃/min～0.5℃/min的升温速率从室温 升温至220℃～250℃，并在温度为220℃～250℃的条件下保温0.6h～1h，再以 0.4℃/min～0.5℃/min的升温速率从220℃～250℃升温至620℃～650℃，并在温度为 620℃～650℃的条件下保温1.5h～2h，得到排胶后的氮化硅基板生坯。其他步骤与具体实 施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤五中将排胶 后的氮化硅基板生坯放入N₂气氛下，烧结压力为0.8MPa～2MPa的气压炉中，以 12℃/min～15℃/min的升温速率升温至1550℃～1600℃，再在1550℃～1600℃下保温 2.5h～4h，再以12℃/min～15℃/min的升温速率升温至1850℃～1900℃，保温2.5h～4h，得 到致密氮化硅陶瓷材料。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式是一种水基流延成型制备致密异形氮化硅陶瓷材料的方 法，具体是按以下步骤完成的：

一、添加烧结助剂：首先使用无水乙醇将氮化硅粉体和烧结助剂粉体混合，在搅拌速 度为300r/min～350r/min的条件下搅拌20h～24h，然后在温度为50℃～80℃干燥10h～12h， 再机械粉碎，过筛，得到氮化硅/烧结助剂粉体；

步骤一所述的氮化硅粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的90%～95%；

步骤一所述的烧结助剂粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的5%～10%；

步骤一所述的氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量与无水乙醇的体积比为 1g:(10mL～15mL)；

步骤一所述的烧结助剂粉体为Y₂O₃粉体和Al₂O₃粉体的混合物，且所述的烧结助剂 粉体中Y₂O₃粉体与Al₂O₃粉体的质量比为3:2；

步骤一所述的氮化硅/烧结助剂粉体的粒径为1μm～5μm；

二、制备浆料：①向氮化硅/烧结助剂粉体中加入分散剂，调节pH至9～11，再加入 去离子水，在搅拌速度为300r/min～350r/min的条件下搅拌10h～12h，得到氮化硅/烧结助 剂悬浮液；②向氮化硅/烧结助剂悬浮液中加入聚乙烯醇溶液和甘油，在搅拌速度为 300r/min～350r/min的条件下搅拌1.5h～2h，再加入正丁醇，真空度为0.1Pa～1Pa的条件下 除泡0.5h～1h，得到浆料；

步骤二所述的分散剂为丙烯酸树脂；

步骤二所述的氮化硅/烧结助剂粉体的质量与分散剂的质量比为(99～99.5):1；

步骤二所述的去离子水的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.6～0.8):1；

步骤二所述的聚乙烯醇溶液的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.04～0.09):1；

步骤二所述的甘油的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.1～0.22):1；

步骤二所述的正丁醇的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.01～0.02):1；

三、制备氮化硅陶瓷生带：将浆料倾倒在玻璃基板上进行流延成型，流延成型过程中 刮刀速度为10cm/min～20cm/min，将流延后的浆料在室温条件下干燥，干燥时间为 12h～20h，对玻璃基板进行剥离，得到厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带；

四、制备排胶后的异形氮化硅材料生坯：将厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带 进行裁剪，将聚乙烯醇溶液涂覆在裁剪后的厚度为100μm～300μm的氮化硅陶瓷生带上， 得到涂覆聚乙烯醇溶液后的氮化硅陶瓷生带；将涂覆聚乙烯醇溶液后的氮化硅陶瓷生带进 行粘接，得到粘接后的异形的氮化硅材料；将粘接后的异形的氮化硅材料进行真空密封后 进行静压成型，得到异形氮化硅材料生坯；将异形氮化硅材料生坯以0.3℃/min～0.5℃/min 的升温速率从室温升温至215℃～250℃，并在温度为215℃～250℃的条件下保温1h～2h， 再以0.3℃/min～0.5℃/min的升温速率从215℃～250℃升温至600℃～650℃，并在温度为 600℃～650℃的条件下保温1h～2h，得到排胶后的异形氮化硅材料生坯；

步骤四所述的涂覆厚度为0.1μm～1μm；

步骤四所述的静压成型的压力为150MPa～200MPa，保压时间为100s～200s；

五、烧结：将排胶后的异形氮化硅材料生坯放入N₂气氛下，烧结压力为0.5MPa～2MPa 的气压炉中，以10℃/min～15℃/min的升温速率升温至1500℃～1600℃，再在 1500℃～1600℃下保温2h～4h，再以10℃/min～15℃/min的升温速率升温至1850℃～1900℃， 保温2h～4h，得到致密异形氮化硅陶瓷材料。

本实施方式的优点：一、本实施方式采用采用水基流延成型/等静压成型法制备了致 密氮化硅陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶瓷材料，根据裁剪的形状，可以制备出任何复杂 形状的致密氮化硅陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶瓷材料，水基流延成型法以其生坯致密 度高，烧结收缩率小且均匀，在制备近终型、致密氮化硅陶瓷材料及其致密异形氮化硅陶 瓷材料领域有广泛的研究和应用空间；

二、本实施方式制备的致密氮化硅陶瓷材料的致密度﹥98%，弯曲强度 700MPa～900MPa，收缩率12%～15%，加工量少，加工困难降低，完全可以满足基板材料 的使用；本实施方式制备的致密异形氮化硅陶瓷材料的致密度﹥98%，弯曲强度 600MPa～700MPa，收缩率12%～15%，加工量少，加工困难降低，完全可以满足基板材料 的使用；

三、本实施方式制备的致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料与其他方法制 备的致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料相比，材料的致密度高、强度高，材 料的可设计性好，加工性能优越。以氮化硅陶瓷生带为原料，制备致密氮化硅陶瓷材料和 致密异形氮化硅陶瓷材料的精确度高，烧结厚度可控；氮化硅生带为基础条件下，可制备 大尺寸高硬度致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料；氮化硅陶瓷生带的可加工 性能好，可以进行裁剪、弯曲、粘接、印刷以及冲压等操作；同时，对于异形氮化硅陶瓷 材料可以满足诸如高温螺栓、工具模高温绝缘体、雷达天线罩、导弹尾喷管、炮筒内衬等 部件的使用要求；

四、本实施方式成本降低40%～60%。

本实施方式可获得致密氮化硅陶瓷材料和致密异形氮化硅陶瓷材料。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同点是：步骤二所述的聚乙烯醇溶 液的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为(0.06～0.08):1。其他步骤与具体实施方式六相 同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七之一不同点是：步骤三中将浆料 倾倒在玻璃基板上进行流延成型，流延成型过程中刮刀速度为15cm/min～20cm/min，将流 延后的浆料在室温条件下干燥，干燥时间为16h～20h，对玻璃基板进行剥离，得到厚度为 200μm～300μm的氮化硅陶瓷生带。其他步骤与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同点是：步骤四中将厚度 为200μm～300μm的氮化硅陶瓷生带进行裁剪，将聚乙烯醇溶液涂覆在裁剪后的厚度为 200μm～300μm的氮化硅陶瓷生带上，得到涂覆聚乙烯醇溶液后的氮化硅陶瓷生带；将涂 覆聚乙烯醇溶液后的氮化硅陶瓷生带进行粘接，得到粘接后的异形的氮化硅材料；将粘接 后的异形的氮化硅材料进行真空密封后进行静压成型，得到异形氮化硅材料生坯；将异形 氮化硅材料生坯以0.4℃/min～0.5℃/min的升温速率从室温升温至220℃～250℃，并在温度 为220℃～250℃的条件下保温1.5h～2h，再以0.4℃/min～0.5℃/min的升温速率从 220℃～250℃升温至620℃～650℃，并在温度为620℃～650℃的条件下保温1.5h～2h，得到 排胶后的异形氮化硅材料生坯。其他步骤与具体实施方式六至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同点是：步骤五中将排胶 后的异形氮化硅材料生坯放入N₂气氛下，烧结压力为0.8MPa～2MPa的气压炉中，以 12℃/min～15℃/min的升温速率升温至1550℃～1600℃，再在1550℃～1600℃下保温 2.5h～4h，再以12℃/min～15℃/min的升温速率升温至1850℃～1900℃，保温2.5h～4h，得 到致密异形氮化硅陶瓷材料。其他步骤与具体实施方式六至九相同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料的方法是按以下步骤完成的：

一、添加烧结助剂：首先使用无水乙醇将氮化硅粉体和烧结助剂粉体混合，在搅拌速 度为350r/min的条件下搅拌24h，然后在温度为60℃干燥12h，再机械粉碎，过筛，得到 氮化硅/烧结助剂粉体；

步骤一所述的氮化硅粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的95%；

步骤一所述的烧结助剂粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的5%；

步骤一所述的氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量与无水乙醇的体积比为1g:10mL；

步骤一所述的烧结助剂粉体为Y₂O₃粉体和Al₂O₃粉体的混合物，且所述的烧结助剂 粉体中Y₂O₃粉体与Al₂O₃粉体的质量比为3:2；

步骤一所述的氮化硅/烧结助剂粉体的粒径为4μm；

二、制备浆料：①向氮化硅/烧结助剂粉体中加入分散剂，调节pH至10，再加入去 离子水，在搅拌速度为300r/min的条件下搅拌12h，得到氮化硅/烧结助剂悬浮液；②向 氮化硅/烧结助剂悬浮液中加入聚乙烯醇溶液和甘油，在搅拌速度为300r/min的条件下搅 拌1.5h，再加入正丁醇，真空度为1Pa除泡0.5h，得到浆料；

步骤二所述的分散剂为丙烯酸树脂；

步骤二所述的氮化硅/烧结助剂粉体的质量与分散剂的质量比为99.5:1；

步骤二所述的去离子水的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为0.7:1；

步骤二所述的聚乙烯醇溶液的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为0.07:1；

步骤二所述的甘油的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为0.14:1；

步骤二所述的正丁醇的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为0.01:1；

三、制备氮化硅陶瓷生带：将浆料倾倒在玻璃基板上进行流延成型，流延成型过程中 刮刀速度为10cm/min，将流延后的浆料在室温条件下干燥，干燥时间为20h，对玻璃基 板进行剥离，得到厚度为150μm的氮化硅陶瓷生带；

四、制备排胶后的氮化硅基板生坯：制备将厚度为150μm的氮化硅陶瓷生带进行裁 剪，将裁剪后的氮化硅陶瓷生带放入模具中，在温度为80℃和压力为50MPa的条件下进 行叠压，得到厚度为4mm的陶瓷基板生坯；将陶瓷基板生坯.以0.3℃/min的升温速率从 室温升温至215℃，并在温度为215℃的条件下保温1h，再以0.5℃/min的升温速率从215℃ 升温至650℃，并在温度为650℃的条件下保温2h，得到排胶后的氮化硅基板生坯；

五、烧结：将排胶后的氮化硅基板生坯放入N₂气氛下，烧结压力为1MPa的气压炉 中，以10℃/min的升温速率升温至1500℃，再在1500℃下保温2h，再以10℃/min的升 温速率升温至1900℃，保温2h，得到致密氮化硅陶瓷材料。

使用X射线衍射仪对试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料进行测试，如图1所示。图1 是试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料的XRD谱图，图1中●为峰位置。

从图1可以看出，试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料中氮化硅全部转变成了β相， 无α相存在；加入的氧化铝和氧化钇并未生成明显的钇铝石榴石相。

使用SEM对试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料进行测试，如图2所示。图2是试验 一得到的致密氮化硅陶瓷材料放大5000倍的SEM图；从图2可以看出，试验一得到的 致密氮化硅陶瓷材料具有较高的致密度，试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料在断口处出现 大量的氮化硅棒晶的拔出和断裂，这说明试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料具有高的强度 和断裂韧性。

试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料的致密度为98%，弯曲强度877MPa，收缩率 14.5%。

试验一得到的致密氮化硅陶瓷材料成本降低50%。

试验二：一种水基流延成型制备致密异形氮化硅陶瓷材料的方法具体是按以下步骤完 成的：

一、添加烧结助剂：首先使用无水乙醇将氮化硅粉体和烧结助剂粉体混合，在搅拌速 度为300r/min的条件下搅拌24h，然后在温度为60℃干燥12h，再机械粉碎，过筛，得 到氮化硅/烧结助剂粉体；

步骤一所述的氮化硅粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的95%；

步骤一所述的烧结助剂粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的5%；

步骤一所述的氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量与无水乙醇的体积比为1g:15mL；

步骤一所述的烧结助剂粉体为Y₂O₃粉体和Al₂O₃粉体的混合物，且所述的烧结助剂 粉体中Y₂O₃粉体与Al₂O₃粉体的质量比为3:2；

步骤一所述的氮化硅/烧结助剂粉体的粒径为4μm；

二、制备浆料：①向氮化硅/烧结助剂粉体中加入分散剂，调节pH至10，再加入去 离子水，在搅拌速度为300r/min的条件下搅拌10h，得到氮化硅/烧结助剂悬浮液；②向 氮化硅/烧结助剂悬浮液中加入丙烯酸树脂和甘油，在搅拌速度为300r/min的条件下搅拌 1.5h，再加入正丁醇，真空度为0.1Pa的条件下除泡1h，得到浆料；

步骤二所述的分散剂为丙烯酸树脂；

步骤二所述的氮化硅/烧结助剂粉体的质量与分散剂的质量比为99:1；

步骤二所述的去离子水的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为0.5:1；

步骤二所述的聚乙烯醇溶液的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为0.06:1；

步骤二所述的甘油的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为0.12:1；

步骤二所述的正丁醇的质量与氮化硅/烧结助剂粉体的质量比为0.01:1；

三、制备氮化硅陶瓷生带：将浆料倾倒在玻璃基板上进行流延成型，流延成型过程中 刮刀速度为15cm/min，将流延后的浆料在室温条件下干燥，干燥时间为20h，对玻璃基 板进行剥离，得到厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带；

四、制备排胶后的异形氮化硅材料生坯：将厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带进行裁 剪，将聚乙烯醇溶液涂覆在裁剪后的厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带上，得到涂覆聚乙 烯醇溶液后的氮化硅陶瓷生带；将涂覆聚乙烯醇溶液后的氮化硅陶瓷生带进行粘接，得到 粘接后的异形的氮化硅材料；将粘接后的异形的氮化硅材料进行真空密封后进行静压成 型，得到异形氮化硅材料生坯；将异形氮化硅材料生坯以0.5℃/min的升温速率从室温升 温至250℃，并在温度为250℃的条件下保温1h，再以0.5℃/min的升温速率从250℃升 温至600℃，并在温度为600℃的条件下保温2h，得到排胶后的异形氮化硅材料生坯；

步骤四所述的涂覆厚度为0.1μm；

步骤四所述的静压成型的压力为200MPa，保压时间为100s；

五、烧结：将排胶后的异形氮化硅材料生坯放入N₂气氛下，烧结压力为1MPa的气 压炉中，以15℃/min的升温速率升温至1500℃，再在1500℃下保温2h，再以10℃/min 的升温速率升温至1850℃，保温2h，得到致密异形氮化硅陶瓷材料。

使用SEM对试验二步骤三得到厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带进行测试，如图3和 图4所示。图3是试验二步骤三得到厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带上表面SEM图；图 4是试验二步骤三得到厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带下表面SEM图。从图3和图4可 以看出，试验二步骤三得到厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带上下表面有较为明显的差别， 试验二步骤三得到厚度为200μm的氮化硅陶瓷生带上表面的气孔率比下表面的高，同时 较为粗糙，这主要是因为在干燥过程中溶剂挥发造成的。

使用数码照相机对试验二得到致密异形氮化硅陶瓷材料进行照相，如图5所示。图5 是试验二得到致密异形氮化硅陶瓷材料的数码照片。从图5可以看出，试验二得到致密异 形氮化硅陶瓷材料具有良好的表面光洁度，形状规则，后续加工量少，这有利于工业生产。

试验二得到的致密异形氮化硅陶瓷材料的致密度96.4%，收缩率14%。

试验二得到的致密异形氮化硅陶瓷材料的成本降低55%。