快速製備高強度氮化矽－氮化硼可加工陶瓷的方法
2023-10-23 02:26:07 4
專利名稱：快速製備高強度氮化矽－氮化硼可加工陶瓷的方法
技術領域：
一種快速製備高強度氮化矽-氮化硼可加工陶瓷的方法，屬於結構陶瓷製備技術領域。
背景技術：
含六方氮化硼(h-BN)彌散相的Si3N4陶瓷是目前綜合性能最為突出的一類可加工陶瓷。不僅保持和提高了Si3N4陶瓷優良的高溫強度、抗蠕變、抗熱震等性能，而且還賦予材料出色的耐熔融金屬腐蝕性能，低楊氏模量，以及能夠用硬質合金刀具進行精密機械加工，滿足複雜形狀構件對材料成型的苛刻要求。
由於h-BN彎曲強度很低(100MPa左右)，添加到陶瓷基體中會導致強度劣化，而且h-BN粉末團聚不易打開，在燒結過程中很容易聚集生長形成大的缺陷，致使材料實際強度與Si3N4陶瓷相比降低幅度過大，其力學可靠性無法滿足高端應用要求。從製備方法來看，當Si3N4-BN陶瓷具有良好的可加工性(BN＞20％)時，採用熱壓燒結工藝得到的彎曲強度僅為400-500MPa，強度的損失達到50％以上(Si3N4陶瓷為900-1400MPa)，而採用無壓燒結獲得的Si3N4-BN陶瓷彎曲強度則更低。要獲得高強度Si3N4-BN可加工陶瓷，其顯微組織必須滿足這樣的特點，即以長柱狀β-Si3N4晶粒形成互鎖框架結構，h-BN晶粒經可能保持細小且均勻彌散在晶界，不聚集長大。日本人Kusunose T等利用複雜的前驅體製備工藝將納米級BN包覆到Si3N4顆粒表面，以此消除h-BN晶粒團聚的問題，並且在熱壓燒結後h-BN晶粒保持在納米級範圍內，他們製備的Si3N4-BN可加工陶瓷(BN體積含量20％-40％)彎曲強度因此達到約850-1100MPa(Kusunose T，Sekino T，Choa Y H，Niihara K.J Am Ceram Soc，2002，852678-2688)，然而其工藝包括複雜的前驅體反應包覆過程，以及採用熱壓燒結需要高的燒結溫度(1800-1850℃)和長時間保溫(2-4h)，工藝複雜冗長，周期長達7天(甚至更長)，製備效率非常低，製備成本很高，從而很大程度上限制了此類材料的應用。
發明內容
針對上述不足，本發明的目的是提供一種快速低溫製備高強度、易加工的Si3N4-BN復相陶瓷的方法。該方法通過以下技術構想來實現利用Si3N4和h-BN燒結擴散係數的差異，採用合適的燒結添加劑，利用放電等離子燒結技術低溫快速的特點，實現對該體系的燒結，使Si3N4充分緻密化，形成柱狀β-Si3N4晶粒互鎖結構，而h-BN基本不參與緻密化過程，晶粒尺寸仍舊停留在原始顆粒大小或者長幅很小；同時由於焦耳熱的作用，粉末表面的溫度迅速升高，同時對模具內的粉末施加高的壓力，加速粉末的流動性，可以有效打開h-BN粉末團聚體，使h-BN細晶均勻彌散在Si3N4基體中。以此來形成理想的顯微組織，實現高強度和可加工性的統一。
一種快速製備高強度氮化矽-氮化硼可加工陶瓷的方法，其特徵在於，包括如下步驟1)稱取平均粒徑0.3-1um的Si3N4微粉和平均粒徑0.3-1um的h-BN微粉，其中h-BN體積含量20％-40％，其餘為Si3N4；2)加入添加劑Y2O3-Al2O3，其重量為最終混合後物料的6％-10％；3)將物料在無水乙醇中球磨混合12-48小時，經乾燥後，裝入模具中；4)將裝有物料的模具置於放電等離子燒結爐中，預先固定壓強30-50MPa，抽真空至10Pa以下，以150-250度/分鐘的速度升溫到1600-1700度進行燒結，燒結電流脈衝比12∶1，燒結時間3-8分鐘；5)燒結結束後樣品隨爐冷卻，獲得緻密的Si3N4-BN復相陶瓷。
本發明的優點在於工藝過程簡單(僅需對原料粉進行機械混合)，燒結時間短(總過程在30分鐘以內)，具有節能高效快速的特點，為實現具有高強度Si3N4-BN可加工陶瓷的簡單、快速、低成本製備提供一條新途徑。利用本發明方法製備出的材料同時具有高強度、可加工的性能特點。
圖1為實施例1-3所製備的Si3N4-BN復相陶瓷的XRD圖譜；可以看出，在燒結以後，大部分的Si3N4由α相轉變為β相，僅有少量α-Si3N4殘存，BN含量減小，相變越完全。
圖2為實施例1所製備的Si3N4-BN復相陶瓷的斷面SEM照片；可以看出，燒結後h-BN(圖中呈板狀或片狀的晶粒)有所長大，但仍保持在1um左右，分布均勻。
圖3為實施例2所製備的Si3N4-BN復相陶瓷的拋光腐蝕表面SEM照片；可以看出，燒結後顯微組織精細均勻，由大長徑比的β相Si3N4柱狀晶粒構成(h-BN在腐蝕過程中已被去掉)。
圖4為實施例2所製備的Si3N4-BN復相陶瓷的斷面SEM照片；可以看出，燒結後h-BN(圖中呈細小棒狀或顆粒狀的晶粒)顯著小於1um，基本保持了起始h-BN顆粒的尺寸，並且沒有明顯聚集和大的團聚體。
圖5為實施例3所製備的Si3N4-BN復相陶瓷的斷面SEM照片；可以看出，燒結後h-BN(圖中呈片狀或顆粒狀的晶粒)晶粒尺寸依然很小，大部分小於1um，基本保持了起始h-BN顆粒的尺寸；由於h-BN含量較大，已經出現一些聚集體，少量晶粒長大超過1um。
具體實施例方式
實施例1稱取平均粒徑1μm的Si3N4微粉和平均粒徑0.5μm的h-BN微粉，其中h-BN體積含量佔20％，再加入Y2O3-Al2O3，其重量佔最終混合物料6％，在無水乙醇中球磨混合12小時，乾燥後，裝入石墨模具中，置於放電等離子燒結(SPS)爐中，室溫下預先固定壓強30MPa，抽真空至8Pa後，以250度/分鐘的速度升溫到1600度進行燒結，燒結電流脈衝比12∶1，燒結時間3分鐘。燒結結束後樣品隨爐冷卻，得到Si3N4-BN復相陶瓷。經測定Si3N4-BN復相陶瓷的相對密度為94.2％，彎曲強度為σf3＝1111MPa，能夠用硬質合金刀具進行精密機械加工。
實施例2稱取平均粒徑0.5μm的Si3N4微粉和平均粒徑0.3μm的h-BN微粉，使h-BN體積含量佔30％，再加入Y2O3-Al2O3，其重量佔最終混合物料8％，在無水乙醇中球磨混合24小時，乾燥後，裝入石墨模具中，置於放電等離子燒結(SPS)爐中，室溫下預先固定壓強40MPa，抽真空至8Pa後，以150度/分鐘的速度升溫到1650度進行燒結，燒結電流脈衝比12∶1，燒結時間5分鐘。燒結結束後樣品隨爐冷卻，得到Si3N4-BN復相陶瓷。經測定Si3N4-BN復相陶瓷的相對密度為93.7％，彎曲強度為σf3＝920MPa，能夠用硬質合金刀具進行精密機械加工。
實施例3稱取平均粒徑0.3μm的Si3N4微粉和平均粒徑0.3μm的h-BN微粉，使h-BN體積含量佔40％，再加入Y2O3-Al2O3，其重量佔最終混合物料10％，在無水乙醇中球磨混合48小時，乾燥後，裝入石墨模具中，置於放電等離子燒結(SPS)爐中，室溫下預先固定壓強50MPa，抽真空至6Pa後，以200度/分鐘的速度升溫到1700度進行燒結，燒結電流脈衝比12∶1，燒結時間8分鐘。燒結結束後樣品隨爐冷卻，得到Si3N4-BN復相陶瓷。經測定Si3N4-BN復相陶瓷的相對密度為93.8％，彎曲強度為σf3＝702MPa，能夠用硬質合金刀具進行精密機械加工。
權利要求
1.一種快速製備高強度氮化矽-氮化硼可加工陶瓷的方法，其特徵在於，包括如下步驟1)稱取平均粒徑0.3-1um的Si3N4微粉和平均粒徑0.3-1um的h-BN微粉，其中h-BN體積含量20％-40％，其餘為Si3N4；2)加入添加劑Y2O3-Al2O3，其重量為最終混合後物料的6％-10％；3)將物料在無水乙醇中球磨混合12-48小時，經乾燥後，裝入模具中；4)將裝有物料的模具置於放電等離子燒結爐中，預先固定壓強30-50MPa，抽真空至10Pa以下，以150-250度/分鐘的速度升溫到1600-1700度進行燒結，燒結電流脈衝比12∶1，燒結時間3-8分鐘；5)燒結結束後樣品隨爐冷卻，獲得緻密的Si3N4-BN復相陶瓷。
全文摘要
一種快速製備高強度氮化矽－氮化硼可加工陶瓷的方法，屬於結構陶瓷製備技術領域。納米BN包覆Si
文檔編號C04B35/622GK1887797SQ20061008899
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月28日 優先權日2006年7月28日
發明者李永利, 張久興, 李瑞霞 申請人:北京工業大學