一种高强度β-SiAlON陶瓷及其无压烧结制备方法

摘要

本发明属于高性能陶瓷材料制备领域，具体涉及一种利用无压烧结技术制备高强度β-SiAlON陶瓷材料的方法。以氮化硅粉、氮化铝粉、氧化铝粉为原料，根据β-SiAlON组成通式Si

说明书

技术领域

本发明属于高性能陶瓷材料技术领域，具体涉及的是一种高强度β-SiAlON陶瓷材料及其无压烧结制备方法。

背景技术

β-SiAlON是β-Si₃N₄与AlN·Al₂O₃的固溶体，结构与β-Si₃N₄相同，物理性质与Si₃N₄相似，化学性质接近Al₂O₃，具有耐高温、力学性能好、抗热震性能好、热稳定性好以及化学稳定性好等优点，被认为是最有希望的高温结构陶瓷之一。在高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中具有特殊的使用价值，在航空、航天电子领域具有广泛的应用潜力。

关与无压烧结制备β-SiAlON方面的研究早在20世纪90年代已经开展。1991年Lis等(Dense β-and α/β-SiAlON materials by pressureless sintering ofcombustion-synthesized powders，J Am Ceram Bull，1991，70(10)：1658-64)在常压下烧结经燃烧合成法获得的粉末制备了致密的β-SiAlON陶瓷，与本专利的原料不同；董鹏莉(不同z值β-SiAlON的显微结构与力学性能.2009，43(1)：23-26)等首先采用还原氮化法合成了不同z值的β-SiAlON，并用无压烧结方法制备了β-SiAlON陶瓷，该方法与本专利的方法和工艺完全不同；中南大学王零森等(SiAlON陶瓷的常压烧结.中南工业大学学报，2001，32(3)：277-280)以Si₃N₄、AlN、Al₂O₃为原料采用常压烧结方法制备了抗弯强度为612MPa的β-SiAlON，Y₂O₃掺量为6％，而且其不是以β-SiAlON的分子式进行成分设计的。此外，以Si₃N₄、AlN和Al₂O₃为原料的热压烧结和基于β-SiAlON粉末的各种制备技术也是制备β-SiAlON的方法：Pettersson等(Thermal shock properties of β-SiAlONceramics.Journal of the European Ceramic Society，2002，22：1357-1365)采用热压烧结方法制备了β-SiAlON陶瓷，并对其抗热震性进行了研究，认为低z值有利于提高其抗热震性，抗热震性最好材料的断裂韧性大于4.0MPa·m^1/2；Semra等(The production of β-SiAlON ceramics with low amounts of additive at lowsintering temperature.Journal of the European Ceramic Society.2010(inpressing))在合成β-SiAlON纳米粉的基础上采用气压烧结法制备的β-SiAlON陶瓷材料硬度为16GPa，断裂韧性4.8MPa·m^1/2，其同时还制备了断裂韧性为6·4MPa·m^1/2，但硬度为14GPa的β-SiAlON；Yi等(Fabrication of dense β-SiAlON by acombination of combustion synthesis(CS)and spark plasma sintering(SPS).Intermetallics.2009：1-6)首先以Si、Al和SiO₂为原料采用燃烧合成方法制备了β-SiAlON粉末，粉末中存在少量未反应相，再用放电等离子烧结技术制备了致密的单相β-SiAlON陶瓷材料，但未对其力学性能进行表征。国内外未见β-SiAlON块体材料制备方法的专利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度β-SiAlON陶瓷材料的无压烧结制备方法。

本发明的目的是通过下列方式实施的：结合R₂O₃-Si₃N₄-AlN-Al₂O₃(R为Y，Yb或Nd)多元系统中β-SiAlON相图，利用氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化钇及稀土氧化物(氧化钕、氧化镱等)，通过严格控制的无压烧结工艺，制备出高强度、高韧性的β-SiAlON陶瓷材料。

本发明所提供的β-SiAlON陶瓷材料的分子式为Si_6-zAl_zO_zN_8-z，式中z＝1～3.5，外掺烧结助剂，烧结助剂的掺量不大于β-SiAlON原料粉末质量的5％。烧结助剂为氧化钇或稀土氧化物(氧化钕、氧化镱等)中的一种或多种。

本发明所述的高强度β-SiAlON陶瓷材料以氮化硅粉、氮化铝粉、氧化铝粉为原料，考虑氮化硅和氮化铝的表面氧，其中氮化硅的表面氧以二氧化硅的形式计算，氮化铝的表面氧以氧化铝的形式计算，依据分子式Si_6-zAl_zO_zN_8-z计算原料粉末含量，式中z＝1～3.5，外掺烧结助剂，烧结助剂的掺量不大于β-SiAlON原料粉末质量的5％，具体制备步骤如下：

第一步、成型：经烘干、造粒后的原料粉末无需加入成型剂，在机械压力作用下成型，成型压力不高于60MPa；

第二步、埋粉：成型后的素坯埋于SiAlON粉末中；

第三步、烧结：采用无压烧结方法制备高强度β-SiAlON陶瓷材料，烧结气氛为先真空后氮气，升温速率为5～40℃/min，烧结温度为1650～1850℃，烧结时间为30～90min。冷却至室温后取出，冷却时的降温速率不高于10℃/min。下面是对本发明的几点说明：

1、β-SiAlON组成设计：根据已有的R₂O₃-Si₃N₄-AlN-Al₂O₃(R为Y，Yb或Nd)多元系统中β-SiAlON相平面的知识，考虑Si₃N₄和AlN的表面氧含量，根据β-SiAlON分子式Si_6-zAl_zO_zN_8-z设计β-SiAlON的组成，式中1＜z＜3.5。

2、原料：包括Si₃N₄、AlN、Al₂O₃、Y₂O₃或稀土氧化物(Nd₂O₃，Yb₂O₃等)，按上述设计组成方法计算所得原料配比称量原料粉末后，称取不大于β-SiAlON原料粉5wt％的Y₂O₃或稀土氧化物(Nd₂O₃，Yb₂O₃等)或其中多种的混合物，在聚四氟乙烯罐中以无水乙醇为分散介质，Si₃N₄球为球磨介质混合12小时以上，取出料浆烘干后，过50目筛。

3、制备：将混好的粉料放于金属模具中，在不高于60MPa的压力下成型，将其装入铺好SiAlON粉末的石墨模具中，再用SiAlON粉末将β-SiAlON素坯埋于其中。为了避免埋粉粉料和石墨模具粘结，模具与粉料之间用石墨纸隔开。先抽真空，再通入流动N₂作为保护气体。烧结过程中采用匀速升温，升温速率控制在5～40℃/min，升温至1650～1850℃后保温30～90min，冷却至室温后取出，冷却时降温速率不大于10℃/min，冷却过程中继续通流动氮气，取出后用金刚石切割机、磨床以及研磨抛光机把样品加工到测试要求的尺寸，即获得β-SiAlON陶瓷。

4、材料：该材料的相组成为β-SiAlON。该材料的抗弯强度高于550MPa，断裂韧性大于4.5MPa·m^1/2，抗热震性好。

本发明的优点是：

1、制备工艺简单，原料粉末易实现均匀混合。

2、无压烧结易实现复杂形状和异型构件制备，减少加工难度。

3、可实现近尺寸构件制备，减少原料损耗和加工损耗，节约资源。

附图说明

图1、本发明提供的实施例1制备出的陶瓷材料的XRD图。

图2、本发明提供的实施例1得到的陶瓷材料的断口形貌照片。

图3、本发明提供的实施例2制备出的陶瓷材料的XRD图。

图4、本发明提供的实施例2得到的陶瓷材料的断口形貌照片。

图5、本发明提供的实施例3制备出的陶瓷材料的XRD图。

图6、本发明提供的实施例3得到的陶瓷材料的断口形貌照片。

图7、本发明提供的实施例4制备出的陶瓷材料的XRD图。

图8、本发明提供的实施例4得到的陶瓷材料的断口形貌照片。

图9、本发明提供的实施例5制备出的陶瓷材料的XRD图。

图10、本发明提供的实施例5得到的陶瓷材料的断口形貌照片。

图11、本发明提供的实施例6制备出的陶瓷材料的XRD图。

图12、本发明提供的实施例6得到的陶瓷材料的断口形貌照片。

具体实施方式

实施例1、

用氧化钇掺杂，以氮化硅，氮化铝和氧化铝粉末为原料。按分子式Si_6-zAl_zO_zN_8-z计算当1.6＜z＜2.5时原料粉末中的氮化硅、氮化铝、氧化铝的质量百分含量，再按上述粉末总质量的4％称取氧化钇粉末，将称好的粉料在聚四氟乙烯罐中以无水乙醇为分散介质，用氮化硅球作为球磨介质，球磨24h。混合好的浆料烘干后装入金属模具中，在40MPa压力下成型，将素坯放入铺好石墨纸和SiAlON粉末的石墨模具中，采用前面所述的无压烧结工艺制备出β-SiAlON陶瓷材料，再用金刚石切割机、磨床和研磨抛光机加工得到陶瓷材料试样进行性能表征。

实施例2、

本实施方式中氧化钇掺量为2wt％，其它组成及制备方法与具体实施方式1的β-SiAlON组成相同。

实施例3、

本实施方式中氧化钕掺量为3wt％，其它组成及制备方法与具体实施方式1的β-SiAlON组成相同。

实施例4、

本实施方式中β-SiAlON组成中z＝2，氧化镱掺量为3wt％，其它组成及制备方法与具体实施方式1的β-SiAlON组成相同。

实施例5

本实施方式中β-SiAlON组成中z＝2，氧化钇和氧化钕共同掺杂，总掺量为5wt％，其它组成及制备方法与具体实施方式1的β-SiAlON组成相同。

实施例6

本实施方式中β-SiAlON组成中z＝2，氧化钕掺量为5wt％，其它组成及制备方法与具体实施方式1的β-SiAlON组成相同。