專利名稱：摻雜復(fù)合稀土的α-sialon陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種a-sialon陶瓷及其制備方法。
技術(shù)背景a-sialcm具有硬度高、熱、化學(xué)穩(wěn)定性好以及抗摩擦磨損性能優(yōu)異等特點(diǎn)， 在苛刻環(huán)境下極具應(yīng)用潛力。燒結(jié)過程中，它能夠吸收液相中的金屬陽(yáng)離子 (Li+、 Ca2+、 MgS+和大多數(shù)的稀土金屬離子)融入自身的結(jié)構(gòu)中，從而減少材 料中的晶間相(H.Mandal, J.Eur.Ceram.Soc， 1999， 19， p2349-2357)。其中， NdS+(0.100nm)和Lu，0.085nm)分別被認(rèn)為是能夠進(jìn)入a-sialon結(jié)構(gòu)的尺寸最 大和最小的兩種稀土離子(T.Ekstrom， Mater.Res.Soc.Symp.Proc.， 1993, pl21和 T.Ohji， Ceram.Eng.Sci.Proc.22， 2001, p159)。近來，有研究發(fā)現(xiàn)，使用多種離子復(fù)合方法可以將大尺寸的稀土離子， 如Ce" (0.103腿)和1^3+ (0.106nm)等融入到a-sialon結(jié)構(gòu)中(R丄Xie et al, J.Am.Ceram.Soc.， 2004， 87， pl368-70; C丄Hwang et al, J.Am.Ceram.Soc., 1995, 78, p58-92)。多種離子復(fù)合不僅能夠使大尺寸離子進(jìn)入到a-sialon中，而且 可以通過降低氧化物基液相的共熔點(diǎn)而促進(jìn)材料的致密化。優(yōu)化燒結(jié)助劑是獲得難熔晶相并進(jìn)一步提高氮化硅基陶瓷高溫性能的常 用方法。研究發(fā)現(xiàn)，大尺寸稀土離子穩(wěn)定的a-sialon陶瓷中，晶間相的含量較 高，而且在1300 1550。C使用時(shí)，a-sialon相不穩(wěn)定，容易發(fā)生分解形成(3-sialon 和富含稀土的晶間相(Z丄Shen et al, J.Eur.Ceram.Soc., 1996， 16, p43-53，和 M.Mitomo, J.Eur.Ceram.Soc.， 1999, 19, p7-15)。另有研究認(rèn)為，含有稀土的硅 鋁氧氮玻璃的物理特性，如場(chǎng)強(qiáng)、粘度、軟化溫度以及玻璃轉(zhuǎn)化溫度等都隨 著摻雜稀土的離子半徑的減小而降低(J.E.Shelby et al, J.Am.Ceram.Soc.， 73， p39-42 )。因此，選擇小尺寸的稀土元素作為oc-sialon的穩(wěn)定劑不僅改善材料 的高溫穩(wěn)定性，而且能夠提高晶間相的軟化溫度，進(jìn)一步擴(kuò)大其高溫工程應(yīng) 用前景。高熔點(diǎn)稀土氧化物，氧化鈧離子尺寸很小，只有0.073nm，用它作氮化硅陶瓷的燒結(jié)助劑，晶間相熔點(diǎn)高，材料的高溫性能優(yōu)良。但是用它燒結(jié)ot-sialon 陶瓷的研究很少。由于現(xiàn)有的熱壓、無壓等燒結(jié)方法很難獲得Sc-(x-sialon相， 因而限制了氧化鈧的應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的熱壓、無壓等燒結(jié)方法很難獲得 Sc-a-sialon相，因而限制了氧化鈧的應(yīng)用的問題，提供了一種摻雜復(fù)合稀土 的a-sialon陶瓷及其制備方法。本發(fā)明摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的通式為 (ScxRy)Si12<m+n)Al(m+n)OnN16.n，通式中x+y-m/3, 0SxSm/3, 0<m<5, 0<n<5， 其中R為Y、 Lu、 Yb、 Er、 Dy、 Gd、 Eu、 Sm、 Nd、 Pr、 La或Ce。本發(fā)明摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法如下 一、將氮化硅、氧化鋁、氮化鋁、稀土氧化物和氧化鈧按(ScxRy)Si12.(m+n)Al(m+n)OnN16.n的通式中的化學(xué)計(jì)量比混合，得到混料，將混料、氮化硅球和無水乙醇放入聚氨酯內(nèi)襯磨罐或塑料筒中濕混8 24h，混合后在40 10(TC的溫度下烘干；二、將經(jīng)過步驟一處理 的混料裝入石墨模具，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)及壓力為30MPa的條件下，以每分鐘 10 3(TC升溫速率將溫度升至1700 1卯0。C，保溫30-120分鐘，即得摻雜復(fù) 合稀土的a-sialon陶瓷，其中步驟一通式中x+y=m/3， (^x^n/3， 0<m<5, 0<n<5， R為Y、 Lu、 Yb、 Er、 Dy、 Gd、 Eu、 Sm、 Nd、 Pr、 La或Ce，步驟 一中混料與氮化硅球的質(zhì)量比為1: 1.5 2.5，混料與無水乙醇的質(zhì)量比為1: 1 1.5。步驟二中將經(jīng)過步驟一處理的混料裝入石墨模具，當(dāng)溫度升到1300~1600 匸時(shí)保溫60分鐘，然后繼續(xù)升溫1700 190(TC,保溫30 120分鐘。由圖1看出經(jīng)過190(TC兩步燒結(jié)得到的陶瓷幾乎完全由oc-sialon相構(gòu)成， 僅含少量的AlN-多型體等二次析出相；由圖2可以看到Sc與Y兩種稀土的 復(fù)合促進(jìn)了長(zhǎng)棒狀a-sialon晶粒的形成；圖3的長(zhǎng)棒狀晶粒的成分譜圖，充分 顯示了在Y"的共同作用下，Sc"能夠進(jìn)入到a-sialon結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)定a-sialon相。采用本發(fā)明方法制造的陶瓷在測(cè)試溫度為140(TC高溫情況下，其抗彎強(qiáng) 度仍可達(dá)到600MPa以上。試樣斷口粗糙，有長(zhǎng)棒狀晶粒拔出留下的凹坑和 孔洞，沿晶斷裂的晶粒邊緣以及穿晶斷裂后的刻面邊緣仍十分清晰，表明該陶瓷高溫抗氧化程度高。本方法所得陶瓷具有21GPa的硬度，而且長(zhǎng)棒狀 a-sialon晶粒的形成使得材料韌性好，約為5.3MPm1/2。
圖1為經(jīng)過兩步燒結(jié)所得陶瓷的X-射線衍射譜圖，其中參為oc-sialon相， H為AlN-多型體相，A為晶間相M'(R2SikAlx03+JSL^);圖2為經(jīng)過兩步燒結(jié) 所得陶瓷的表面腐蝕形貌圖；圖3為長(zhǎng)棒狀晶粒的成分譜圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一.本實(shí)施方式中摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的通式為 (ScxRy)Si12.(m+n)Al(m+n)OnN16_n，通式中x+廠m/3， 0^x￡m/3， 0^^m/3， 0<m<5， 0<n<5,其中R為Y、 Lu、 Yb、 Er、 Dy、 Gd、 Eu、 Sm、 Nd、 Pr、 La或Ce。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是通式中x=m/3, y=0， m=n=l。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是通式中 x=y=m/6， m=n=l。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是摻雜復(fù)合稀土 的a-sialon陶瓷的制備方法如下 一、將氮化硅、氧化鋁、氮化鋁、稀土氧化物和氧化鈧按(SCxRy)SicAl(m+n)OnN^的通式中的化學(xué)計(jì)量比混合，得到混料，將混料、氮化硅球和無水乙醇放入聚氨酯內(nèi)襯磨罐或塑料筒中濕混 8~24h，混合后在40 10(TC的溫度下烘干；二、將經(jīng)過步驟一處理的混料裝 入石墨模具，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)及壓力為30MPa的條件下，以每分鐘10 3(TC 升溫速率將溫度升至1700 190(TC，保溫30 120分鐘，即得摻雜復(fù)合稀土的 a-sialon陶瓷，其中步驟一通式中x+y-m/3, 0<m<5， 0<n<5， R為Y、 Lu、 Yb、 Er、 Dy、 Gd、 Eu、 Sm、 Nd、 Pr、 La或Ce，步驟一中混料 與氮化硅球的質(zhì)量比為h 1.5~2.5，混料與無水乙醇的質(zhì)量比為l: 1 1.5。本實(shí)施方式中的稀土氧化物是氧化釔、氧化镥、氧化鐿、氧化鉺、氧化 鏑、氧化釓、氧化銪、氧化釤、氧化釹、氧化鐠、氧化鑭或氧化鈰。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四不同的是步驟二中將經(jīng) 過步驟一處理的混料裝入石墨模具，當(dāng)溫度升到1300-1600'C時(shí)保溫60分鐘， 然后繼續(xù)升溫1700~1900°C，保溫30 120分鐘。其它與具體實(shí)施方式
四相同。將摻雜復(fù)合稀土的oc-sialon陶瓷按如下方法制備 一、將氮化硅、氧化鋁、 氮化鋁、稀土氧化物和氧化鈧按(ScxRy)Si12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n, x=m/3、 y=0, 選擇m^-l進(jìn)行配比制成混料，將混料、氮化硅球和無水乙醇放入聚氨酯內(nèi) 襯磨罐或塑料筒中濕混20h，混合后在40 100。C的溫度下烘干；二、將經(jīng)過 步驟一處理的混合粉末放入石墨模具，以每分鐘20 30'C的升溫速率升到 150(TC保溫60min，然后繼續(xù)升溫到1900°C ，并保溫60分鐘。燒結(jié)過程中氮 氣保護(hù)，壓力為30MPa，燒結(jié)后隨爐冷卻。制得的材料完全由j3-sialon相構(gòu)成，含有少量的AlN-多型體。材料具有 典型的P-siakm陶瓷的性能特征，硬度較低，僅為16.3GPa。將摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷按如下方法制備 一、將氮化硅、氧化鋁、 氮化鋁、氧化镥和氧化鈧按(ScxRy)Si12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n， x=y=m/6，選擇 m=n=l進(jìn)行配比制成混料，將混料、氮化硅球和無水乙醇放入聚氨酯內(nèi)襯磨 罐或塑料筒中濕混20h，混合后在40 100。C的溫度下烘干；二、將經(jīng)過步驟 一處理的混料放入石墨模具中，以每分鐘20 30。C的升溫速率升到150(TC保 溫60min，然后繼續(xù)升溫到1800'C，并保溫60分鐘。燒結(jié)過程中氮?dú)獗Ｗo(hù)， 壓力為30MPa，燒結(jié)后隨爐冷卻。所得材料主要由a-sialon相構(gòu)成，含有少量的P-sialon相，a-sialon相與 P-sialon相質(zhì)量百分比為85:15。該材料的合成成功解決了在熱壓狀態(tài)下Sc3+ 無法形成ot-sialon相的這一難題，同時(shí)，伴隨著大量的a-sialon相作為材料主 晶相的形成，特別是長(zhǎng)棒狀晶粒的形成，材料的力學(xué)性能較Sc單一摻雜時(shí)有 了進(jìn)一步的提高，硬度為20GPa，具有典型的oc-sialon陶瓷的特征，而且其韌 性也可達(dá)到5.2 MPam1/2。進(jìn)一步對(duì)該材料的高溫性能進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試溫度為140(TC高溫情 況下，其抗彎強(qiáng)度仍可達(dá)到600MPa以上。試樣斷口粗糙，有長(zhǎng)棒狀晶粒拔 出留下的凹坑和孔洞，沿晶斷裂的晶粒邊緣以及穿晶斷裂后的刻面邊緣仍十 分清晰，表明材料高溫抗氧化程度高。將摻雜復(fù)合稀土的ot-sialon陶瓷按如下方法制備 一、將氮化硅、氧化鋁、 氮化鋁、氧化镥和氧化鈧按(ScxRy)Si12_(m+n)Al(m+n)OnN16-n， x=y=m/6，選擇 m=n=l進(jìn)行配比制成混料，將混料、氮化硅球和無水乙醇放入聚氨酯內(nèi)襯磨罐或塑料筒中濕混20h，混合后在.40 100'C的溫度下烘干；二、將經(jīng)過步驟 一處理的混料放入石墨模具中，以每分鐘20 30'C的升溫速率升到1500'C保 溫60min，然后繼續(xù)升溫到190(TC，并保溫60分鐘。燒結(jié)過程中氮?dú)獗Ｗo(hù)， 壓力為30MPa，燒結(jié)后隨爐冷卻。所得材料完全由oc-sialon相構(gòu)成，兼有極少量的AlN-多型體。材料的硬 度進(jìn)一步升高，可以達(dá)到20.9GPa，韌性也可達(dá)到5.2，31111/2。將摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷按如下方法制備 一、將氮化硅、氧化鋁、 氮化鋁、氧化釔和氧化鈧按(ScxRy)Si12-(m+n)Al(m+n)OnN16_n， x=y=m/6，，選擇 m=n=l進(jìn)行配比制成混料將混料、氮化硅球和無水乙醇放入聚氨酯內(nèi)襯磨罐 或塑料筒中濕混20h，混合后在40 10(TC的溫度下烘干；二、將經(jīng)過步驟一 處理的混合粉末放入石墨模具，以每分鐘20 3(TC的升溫速率升到150(TC保 溫60min,然后繼續(xù)升溫到190(TC，并保溫60分鐘。燒結(jié)過程中氮?dú)獗Ｗo(hù)， 壓力為30MPa，燒結(jié)后隨爐冷卻。圖1為所得材料X-射線衍射譜圖，由圖1看出經(jīng)過190(TC兩步燒結(jié)得到 的陶瓷幾乎完全由a-sialon相構(gòu)成，僅含少量的AlN-多型體等二次析出相； 圖2為所得陶瓷的表面腐蝕形貌圖，由圖2可以看到Sc與Y兩種稀土的復(fù) 合促進(jìn)了長(zhǎng)棒狀a-siakm晶粒的形成；圖3為圖2中長(zhǎng)棒狀晶粒的成分譜圖， 充分顯示了在丫3+的共同作用下，Sc"能夠進(jìn)入到ot-sialon結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)定a-siakm 相。本方法所得材料具有21GPa的硬度，而且長(zhǎng)棒狀a-siakm晶粒的形成使 得材料韌性好，約為5.3MPm1/2。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四不同的是步驟一中 x=m/3、 y=0, m=n=l。其它與具體實(shí)施方式
四相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四不同的是步驟一中 x=y=m/6， m=n=l。其它與具體實(shí)施方式
四相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四不同的是步驟二中將溫 度升至1701 1800°C。其它與具體實(shí)施方式
四相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四不同的是步驟二中將溫 度升至1801 1899t:。其它與具體實(shí)施方式
四相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四不同的是步驟二中當(dāng)溫度升到1300 160(TC時(shí)保溫60分鐘，然后繼續(xù)升溫。其它與具體實(shí)施方式
四 相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四不同的是當(dāng)溫度升高到150(TC時(shí)保溫。其它與具體實(shí)施方式
四相同。
權(quán)利要求
1. 一種摻雜復(fù)合稀土的α-sialon陶瓷，其特征在于摻雜復(fù)合稀土的α-sialon陶瓷的通式為(ScxRy)Si12-(m+n)Al(m+n)OnN16-n，通式中x+y＝m/3，0≤x≤m/3，0＜m＜5，0＜n＜5，其中R為Y、Lu、Yb、Er、Dy、Gd、Eu、Sm、Nd、Pr、La或Ce。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜復(fù)合稀土的oc-siakm陶瓷，其特征在于通 式中x=m/3, y=0， m=n=l。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的摻雜復(fù)合稀土的a-siakm陶瓷，其特征在于通 式中x=y=m/6， m=n=l。
4、 制備摻雜復(fù)合稀土的oc-sialon陶瓷的方法，其特征在于摻雜復(fù)合稀土 的a-siakm陶瓷的制備方法如下 一、將氮化硅、氧化鋁、氮化鋁、稀土氧化物和氧化鈧按(SCxRy)S.iw)Al(m+n)OnNi6.n的通式中的化學(xué)計(jì)量比混合，得到混料，將混料、氮化硅球和無水乙醇放入聚氨酯內(nèi)襯磨罐或塑料筒中濕混8~24h,混合后在40 100"C的溫度下烘干；二、將經(jīng)過步驟一處理的混料裝 入石墨模具，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)及壓力為30MPa的條件下，以每分鐘10 3(TC 升溫速率將溫度升至1700 190(TC,保溫30 120分鐘，即得摻雜復(fù)合稀土的 a-sialon陶瓷，其中步驟一通式中x+y=m/3, 0<m<5， 0<n<5， R為Y、 Lu、 Yb、 Er、 Dy、 Gd、 Eu、 Sm、 Nd、 Pr、 La或Ce，步驟一中混料 與氮化硅球的質(zhì)量比為l: 1.5-2.5，混料與無水乙醇的質(zhì)量比為l: 1 1.5。
5、權(quán)利要求4所述的摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法，其特征 在于摻雜復(fù)合稀土的oc-sialon陶瓷的制備方法步驟二中將經(jīng)過步驟一處理的 混料裝入石墨模具，當(dāng)溫度升到1300 1600'C時(shí)保溫60分鐘，然后繼續(xù)升溫 1700~1900°C,保溫30 120分鐘。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的摻雜復(fù)合稀土的oc-siakm陶瓷的制備方法， 其特征在于摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法步驟一中x=m/3、 y=0， m=n=l 。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法， 其特征在于摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法步驟一中x=y=m/6， m=n=l。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法， 其特征在于摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法步驟二中將溫度升至 1701~1800°C。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法， 其特征在于摻雜復(fù)合稀土的a-sialon陶瓷的制備方法步驟二中將溫度升至 腿 C。
全文摘要
摻雜復(fù)合稀土的α-sialon陶瓷及其制備方法，它涉及一種α-sialon陶瓷及其制備方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的熱壓、無壓等燒結(jié)方法很難獲得Sc-α-sialon相，因而限制了氧化鈧的應(yīng)用的問題。本發(fā)明陶瓷的通式為(Sc<sub>x</sub>R<sub>y</sub>)Si<sub>12-(m+n)</sub>Al<sub>(m+n)</sub>O<sub>n</sub>N<sub>16-n</sub>，本方法如下將混料進(jìn)行濕混、烘干后放入模具中，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)、壓力為30MPa的條件下，升溫、保溫后即得。本發(fā)明方法在Y<sup>3+</sup>的共同作用下使Sc<sup>3+</sup>能夠進(jìn)入到α-sialon結(jié)構(gòu)中，充分利用了氧化鈧。本方法所得材料具有21GPa的硬度，而且長(zhǎng)棒狀α-sialon晶粒的形成使得材料韌性好，約為5.3MPm<sup>1/2</sup>。
文檔編號(hào)C04B35/597GK101269970SQ20081006449
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者劉春鳳, 楓 葉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)