一種高性能的氮化矽導電陶瓷及其製備方法和應用

2024-04-15 08:27:05

1.本發明屬於非氧化物基材料技術領域，更具體地，涉及一種高性能的氮化矽導電陶瓷及其製備方法和應用。


背景技術：

2.si3n4陶瓷具有低密度、高強度、高硬度、高導熱、低熱膨脹係數等優異的性能。然而，由於si3n4陶瓷固有的高硬度和極大的脆性，使得si3n4陶瓷的加工效率較低，難以加工成形狀複雜的異形零部件而限制其廣泛應用。目前用以提高si3n4陶瓷加工性能的方法主要集中在製成si3n4導電陶瓷，然後用電火花加工的方式加工成異形零部件。純si3n4陶瓷的電阻率為～10
13
ω
·
m，當前降低si3n4陶瓷的電阻率的方法主要是在基體中引入大量的(20～60vol％)第二導電相，如tin、mosi2、tan等。但當引入較多含量的第二相後會降低si3n4陶瓷的主要性能，此外，第二相的分散不足或分布不均勻也會降低陶瓷材料的緻密度進而降低其力學性能。基於此，為實現si3n4陶瓷的廣泛應用，亟需開發一種低成本製備高性能si3n4導電陶瓷的方法，在保證具有高性能(如高的緻密度，高強度、硬度和韌性等)的前提下獲得具有較優異的導電性能。


技術實現要素：

3.為了解決上述現有技術中存在的不足和缺點，本發明的首要目的在於提供一種高性能的氮化矽導電陶瓷的製備方法。該方法通過在si3n4造粒球上包覆厚度均勻的導電層m
x
nyb2，再通過放電等離子燒結製得si3n4導電陶瓷。該方法不僅可顯著提高si3n4陶瓷在燒結過程中α-si3n4到β-si3n4的相變，提高si3n4陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性，還能顯著降低導電相m
x
nyb2的含量並提高si3n4陶瓷的導電性。
4.本發明的另一目的在於提供上述方法製備的氮化矽導電陶瓷。
5.本發明的再一目的在於提供上述氮化矽導電陶瓷的應用。
6.本發明的目的通過下述技術方案來實現：
7.一種高性能的氮化矽導電陶瓷的製備方法，包括如下具體步驟：
8.s1.將α-si3n4、mgo、re2o3和石蠟經混料後得到si3n
4-mgo-re2o
3-石蠟的混合漿料，然後對混合漿料進行噴霧乾燥，製成si3n4造粒球；
9.s2.將si3n4造粒球置於糖衣機中，將石蠟和ccl4組成的粘結劑噴塗於si3n4造粒球表面，同時施加常溫鼓風進行乾燥，噴塗後獲得表面均勻包覆石蠟層的si3n4造粒球；然後加入m
x
nyb2納米粉體，x＝0.95～1，y＝0～0.05，m為hf，n為ta、ti或v；同時施加熱鼓風，使得si3n4造粒球表面的石蠟軟化，得到包覆m
x
nyb2導電層/石蠟的si3n4造粒球；
10.s3.將包覆m
x
nyb2導電層/石蠟的si3n4造粒球置於空氣排膠爐中去除石蠟，升溫至200～250℃保溫2～5h，再升溫至450～550℃保溫3～6h，然後隨爐冷卻，整個過程空氣的流動速率為30～50l/min，得到包覆m
x
nyb2導電層的si3n4造粒球；
11.s4.將包覆m
x
nyb2導電層的si3n4造粒球在1atm的氬氣氣氛下，升溫至1300～1400
℃，再升溫至1550～1750℃並保溫，保溫過程軸向加壓為10～50mpa，通過放電等離子燒結，製得高性能的氮化矽導電陶瓷。
12.優選地，步驟s1中所述si3n
4-mgo-re2o
3-石蠟的混合漿料的固相含量為40～55vol％，ph值為7.9～10；所述re2o3為中re為sc、y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb或lu；所述si3n4造粒球的粒徑為100～300μm；所述α-si3n4、mgo、re2o3和石蠟的質量比為(88～97):(0.8～5):(2～6):(0.2～1)。
13.更為優選地，所述α-si3n4：mgo：re2o3：石蠟的質量比為94.8:3:2:0.2。
14.優選地，步驟s1中所述α-si3n4粉的純度為98～100wt％，α-si3n4粉的粒徑為0.3～1μm；所述mgo粉的純度為99.8～99.99wt％，mgo粉的粒徑為50～100nm；所述re2o3粉的純度為99.9～99.99wt％，re2o3粉的粒徑為50～100nm。
15.優選地，步驟s2中所述粘結劑中ccl4和石蠟的質量比為(80～99):(1～20)，所述糖衣機的轉速為100～300r/min。
16.更為優選地，所述ccl4和石蠟的質量比為9:1。
17.優選地，步驟s2中所述m
x
nyb2納米粉體為hfb2、hf
0.95
ta
0.05
b2、hf
0.95
ti
0.05
b2或hf
0.95v0.05
b2；所述m
x
nyb2納米粉體的粒徑為50～150nm，m
x
nyb2納米粉體的純度為99wt％以上。
18.優選地，步驟s2中所述的熱鼓風的溫度為50～80℃；所述的m
x
nyb2導電層的厚度為30～100μm。
19.優選地，步驟s3中所述升溫至200～250℃的速率為1～2℃/min，升溫至450～550℃的速率為1～2℃/min；步驟s4中所述升溫至1300～1400℃的速率為100～150℃/min，所述升溫至1550～1750℃的速率為80～100℃/min，所述保溫的時間為1～10min。
20.一種高性能的氮化矽導電陶瓷，所述的氮化矽導電陶瓷是由所述的方法製備得到。
21.優選地，所述si3n4導電陶瓷的相對密度為97％以上，硬度為19～25gpa，斷裂韌性為5～10mpa
·m1/2
，抗彎強度為500～1000mpa，m
x
nyb2相的含量為2～8wt％，室溫下的電阻率為(5～100)
×
10-4
ω
·
m。
22.所述的高性能的氮化矽導電陶瓷在異形件的加工領域中應用。
23.與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
24.1.本發明通過在si3n4造粒球上包覆m
x
nyb2層，m
x
nyb2不僅可顯著提高si3n4陶瓷在燒結過程中α-si3n4到β-si3n4的相變，提高si3n4陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性，還能顯著降低導電相m
x
nyb2的含量並提高si3n4陶瓷的導電性。
25.2.本發明中得到的氮化矽導電陶瓷中m
x
nyb2相含量較低，可實現高強度、高韌性及高的導電性。
具體實施方式
26.下面結合具體實施例進一步說明本發明的內容，但不應理解為對本發明的限制。若未特別指明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟知的常規手段。除非特別說明，本發明採用的試劑、方法和設備為本技術領域常規試劑、方法和設備。
27.實施例1
28.1.製備：
29.(1)以α-si3n4粉為基體原料，以mgo粉和yb2o3粉為燒結助劑，以石蠟為粘結劑，按照si3n4:mgo:yb2o3:石蠟的質量比為94.8:3:2:0.2經均勻混料後，得到si3n
4-mgo-yb2o
3-石蠟漿料。將si3n
4-mgo-yb2o
3-石蠟漿料經噴霧乾燥機製備成si3n4造粒球，粒徑為150μm。
30.(2)取石蠟液體(1g)溶於具有強揮發性的ccl4(9g)中配置成粘結劑，將上述si3n4造粒球置於轉速為300r/min糖衣機中，然後將粘結劑噴塗於si3n4造粒球表面，同時施加常溫鼓風進行乾燥，經噴塗後獲得表面均勻包覆石蠟層的si3n4造粒球，然後加入hf
0.95
ta
0.05
b2納米粉體(粒徑為100nm)，同時施加80℃的熱鼓風，使得si3n4造粒球表面的石蠟軟化，提高粘結力進而包覆上hf
0.95
ta
0.05
b2導電層(厚度為50μm)，經乾燥過篩後，得到包覆hf
0.95
ta
0.05
b2導電層/石蠟的si3n4造粒球。
31.(3)將包覆hf
0.95
ta
0.05
b2導電層/石蠟的si3n4造粒球置於排膠爐中去除石蠟，以1℃/min的速率升溫至250℃，保溫3h，再以1℃/min的速率升溫至500℃，保溫3h，然後隨爐冷卻，整個過程中空氣的流動速率為40l/min，製得包覆hf
0.95
ta
0.05
b2導電層的si3n4造粒球。
32.(4)將包覆hf
0.95
ta
0.05
b2導電層的si3n4造粒球置於放電等離子燒結模具中，在1atm的氬氣氣氛下，以150℃/min的速率升溫至1200℃，然後以100℃/min的速率升溫至1600℃，並保溫10min，經壓力為50mpa的放電等離子燒結，製得包覆hf
0.95
ta
0.05
b2層的氮化矽導電陶瓷。
33.2.性能測試：本實施例所得的包覆hf
0.95
ta
0.05
b2層的氮化矽導電陶瓷的相對密度為99％，硬度為19gpa，斷裂韌性為8.5mpa
·m1/2
，抗彎強度為800mpa，hf
0.95
ta
0.05
b2相的含量為4wt％，室溫下的電阻率為20
×
10-4
ω
·
m。
34.對比例1
35.與實施例1不同在於：步驟1中未進行步驟(2)。
36.本對比例所得的si3n4陶瓷中室溫下的電阻率為8
×
10
13
ω
·
m。與對比例1相比，實施例1中包覆hf
0.95
ta
0.05
b2層的氮化矽導電陶瓷的電阻率較低，添加hf
0.95
ta
0.05
b2包覆層可顯著提高氮化矽陶瓷的導電率。
37.實施例2
38.與實施例1不同在於：m
x
nyb2為hfb2，經放電等離子燒結後得到氮化矽導電陶瓷。本實施例製得的si3n4陶瓷室溫下的電阻率為100
×
10-4
ω
·
m。
39.實施例3
40.與實施例1不同在於：m
x
nyb2為hf
0.95
ti
0.05
b2，經放電等離子燒結後得到氮化矽導電陶瓷。本實施例製得的si3n4陶瓷室溫下的電阻率為60
×
10-4
ω
·
m。
41.實施例4
42.與實施例1不同在於：本實施例中的α-si3n4粉質量分數為95％、mgo質量分數為2％、y2o3質量分數為2％，石蠟的質量分數為1％，m
x
nyb2為hf
0.95v0.05
b2，經放電等離子燒結後得到氮化矽導電陶瓷。本實施例製得的si3n4陶瓷室溫下的電阻率為90
×
10-4
ω
·
m。
43.上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合和簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。