專利名稱：一種自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，屬陶瓷材料技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷材料具有高溫強(qiáng)度大、硬度高、抗氧化、耐腐蝕和耐磨損等優(yōu)良特性， 是一種很有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料，在新型陶瓷中占有重要的地位。利用其耐熱及抗高溫氧 化能力，可用于冶金行業(yè)。利用其高強(qiáng)度和高硬度，可用于機(jī)械行業(yè)，近些年來(lái)，由于熱擠壓 模具行業(yè)的不斷興起，氮化硅陶瓷材料成為研制高溫?zé)釘D壓模具的重要候選材料之一。微波燒結(jié)方法自從70年代被引入陶瓷材料領(lǐng)域以來(lái)，因其獨(dú)特的燒結(jié)機(jī)理和特 性如整體式加熱，升溫速度快、效率高等優(yōu)勢(shì)成為一門新興的陶瓷燒結(jié)工藝。由于其極快的 加熱速度和獨(dú)特的加熱機(jī)理，因而有利于提高致密化速度，并能有效的抑制晶粒生長(zhǎng)。許多 先進(jìn)陶瓷如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、碳化硼等都已經(jīng)成功地被微波燒結(jié)并顯示出優(yōu)于常規(guī) 燒結(jié)的性能。氮化硅作為一類重要的先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，仍然需要克服自身的脆性問(wèn)題，其 制備方法主要有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、等離子活化燒結(jié)等技術(shù)，但是目前有關(guān)氮化硅陶瓷微 波燒結(jié)的研究報(bào)道并不多。江涌發(fā)明的“一種高強(qiáng)度，高韌度的氮化硅陶瓷液相燒結(jié)法”(CN101066871A)，采 取常壓或熱壓燒結(jié)的工藝，與本工藝相比其燒結(jié)速度慢，燒結(jié)溫度高，以及不具有微波燒結(jié) 促向進(jìn)α -Si3N4向β -Si3N4的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，而提供一種可以批量化、低 成本生產(chǎn)氮化硅陶瓷材料的方法，用Si3N4粉末作為原料，配以適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑，并用微波 固相合成工藝制備自增韌氮化硅陶瓷材料。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)所述的自增韌氮化硅陶瓷制備采用粉末冶金方 法，主要包括配料、混料、成型、燒結(jié)工藝過(guò)程，步驟如下(1)在氮化硅粉末中摻加燒結(jié)助劑，在介質(zhì)中混合均勻制得料漿；(2)將料漿干燥后過(guò)篩，模壓后經(jīng)冷等靜壓成型；(3)在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行微波燒結(jié)。其中，氮化硅粉末中α-Si3N4含量應(yīng)大于氯化硅總重量的95%，氮化硅粉末粒徑 控制在0. 1 5μπι。上述燒結(jié)助劑可以為A1203、Y2O3> MgO、Sm2O3> Ce203> La2O3中的一種或多種混合，平 均粒徑為0. 5 1 μ m。上述添加劑燒結(jié)助劑的重量，按料漿固體物質(zhì)總重量計(jì)，所述A1203、MgO的加入量 為1 3胃1%，所述Y203>Sm203> Ce2O3^La2O3的加入量為2 5wt%。上述球磨介質(zhì)可以為氮化硅球+無(wú)水乙醇或丙酮，混合方式可以是滾筒球磨、行星球磨、三維球磨中的一種或幾種，球磨時(shí)間可以為4 20h。上述混合方式中，采用三維混料方式將原料粉末按比例配成混合粉體，然后加入 無(wú)水乙醇配成漿料并球磨，其漿料固體容量為40 55%。上述漿體的干燥可以真空干燥或普通干燥，干燥時(shí)間可以為4 8h。上述過(guò)篩可以在目數(shù)為50 200目的篩中進(jìn)行，過(guò)篩后顆粒平均粒徑為70 300 μ HIo上述冷等靜壓成型是先經(jīng)過(guò)20 40MPa的模壓成型后，接著在40 400MPa下進(jìn) 行冷等靜壓。上述微波燒結(jié)是在頻率為300MHz 30GHz下進(jìn)行，當(dāng)頻率低于25GHz時(shí)在氮化硅 陶瓷外覆蓋過(guò)渡層加熱，過(guò)度層可以為50 60wt% SiC+20 30wt% Si3N4+10 30wt% BN ；在微波頻率高于25GHz時(shí)不在氮化硅陶瓷外覆蓋過(guò)渡層而直接加熱；升溫速度可以為 10 300°C /min，燒結(jié)溫度可為1400 1750°C，微波燒結(jié)在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行，氮?dú)夥諌毫?可以為0. 05 IMPa，燒結(jié)時(shí)間可以為IOmin 4h。按氮化硅總重量計(jì)，所述原料氮化硅粉末中氧含量小于2wt %，游離硅小于 0. 3wt%。所述介質(zhì)為無(wú)水乙醇、異丙、酒精、汽油、蒸餾水或去離子水。所述氮化硅陶瓷磨介材料，直徑為30 200mm的氮化硅陶瓷球。本發(fā)明克服了使用傳統(tǒng)常壓和氣壓燒結(jié)工藝存在的加熱效率低、燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、能 耗大、晶粒粗大、易開(kāi)裂等缺陷。本發(fā)明工藝可大大縮短燒結(jié)時(shí)間，降低燒結(jié)溫度，產(chǎn)品性能優(yōu)于傳統(tǒng)燒結(jié)方法的 產(chǎn)品性能，且操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，可批量化生產(chǎn)制備。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1 6燒結(jié)樣品性能表；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的Si3N4陶瓷斷口掃描照片；圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的Si3N4陶瓷斷口掃描照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。實(shí)施例1按固體物質(zhì)總重量計(jì)，以平均粒徑為0. Iym, α相含量大于95%的Si3N4為主要原 料，加入Iwt%的Al2O3(純度99. 9%,平均粒度為0. 5 μ m),加入5wt% Y2O3(純度99. 99%， 平均粒度為0. 5 μ m)，以氮化硅研磨球?yàn)槟ソ?，以無(wú)水乙醇為混合介質(zhì)在滾筒球磨中球磨 4h，料漿固相含量為料漿重量的45%，通過(guò)真空干燥箱干燥后過(guò)200目篩制得平均粒徑為 74 μ m的實(shí)心球顆粒。將造粒后的氮化硅顆粒經(jīng)過(guò)20MPa的模壓成型后，進(jìn)行200MPa的冷等靜壓制成內(nèi) 徑為Φ56mm，外徑為Φ76mm的圓環(huán)，放入烘箱中50 70°C干燥12小時(shí)。進(jìn)行微波燒結(jié)時(shí)， 微波的頻率為300M，在預(yù)燒結(jié)坯體外放置60wt% SiC+30wt% Si3N4+10wt% BN的過(guò)渡層，調(diào) 整氮?dú)鈮毫?. 05MPa，升溫速度保持在100°C /min，燒結(jié)溫度1600°C下保溫2h。然后隨爐冷卻。實(shí)施例2按固體物質(zhì)總重量計(jì)，以平均粒徑為0. 5 μ m，α相含量大于95%的Si3N4為主要原 料，加入2wt%的MgO(純度99. 9%,平均粒度為0. 5 μ m),加入3wt% Ce2O3(純度99. 99%， 平均粒度為0. 5 μ m)，以氮化硅研磨球?yàn)槟ソ?，以無(wú)水乙醇為混合介質(zhì)在滾筒球磨中球磨 10h，料漿固相含量為料漿重量的45%，通過(guò)真空干燥箱干燥后過(guò)100目篩制得平均粒徑為 165 μ m的實(shí)心球顆粒。將造粒后的氮化硅顆粒經(jīng)過(guò)30MPa的模壓成型后，進(jìn)行300MPa的冷等靜壓制成內(nèi) 徑為Φ56mm，外徑為Φ76mm的圓環(huán)，放入烘箱中50 70°C干燥12小時(shí)。進(jìn)行微波燒結(jié)時(shí)， 微波的頻率為IOGHz，在預(yù)燒結(jié)坯體外放置60wt% SiC+30wt% Si3N4+10wt% BN的過(guò)渡層， 調(diào)整氮?dú)鈮毫?. IMPa，升溫速度保持在150°C /min，燒結(jié)溫度1500°C下保溫汕。然后隨爐 冷卻。實(shí)施例3按固體物質(zhì)總重量計(jì)，以平均粒徑為1 μ m，α相含量大于95%的Si3N4為主要原 料，加入2wt%的Sm2O3(純度99. 9%,平均粒度為0. 5 μ m),加入3wt% Y2O3(純度99. 99%， 平均粒度為0. 5 μ m)，以氮化硅研磨球?yàn)槟ソ?，以無(wú)水乙醇為混合介質(zhì)在滾筒球磨中球磨 12h，料漿固相含量為料漿重量的45%，通過(guò)真空干燥箱干燥后過(guò)100目篩制得平均粒徑為 165 μ m的實(shí)心球顆粒。將造粒后的氮化硅顆粒經(jīng)過(guò)30MPa的模壓成型后，進(jìn)行300MPa的冷等靜壓制成內(nèi) 徑為Φ56mm，外徑為Φ76mm的圓環(huán)，放入烘箱中50 70°C干燥12小時(shí)。進(jìn)行微波燒結(jié)時(shí)， 微波的頻率為15GHz，在預(yù)燒結(jié)坯體外放置60wt% SiC+30wt% Si3N4+10wt% BN的過(guò)渡層， 調(diào)整氮?dú)鈮毫MPa，升溫速度保持在100°C /min，燒結(jié)溫度1650°C下保溫濁。然后隨爐冷卻。實(shí)施例4按固體物質(zhì)總重量計(jì)，以平均粒徑為2 μ m，α相含量大于95%的Si3N4為主要原 料，加入2wt%的MgO(純度99. 9%,平均粒度為0. 5 μ m),加入3wt% Y2O3(純度99. 99%， 平均粒度為0. 5 μ m)，以氮化硅研磨球?yàn)槟ソ?，以無(wú)水乙醇為混合介質(zhì)在滾筒球磨中球磨 14h，料漿固相含量為料漿重量的45%，通過(guò)真空干燥箱干燥后過(guò)100目篩制得平均粒徑為 165 μ m的實(shí)心球顆粒。將造粒后的氮化硅顆粒經(jīng)過(guò)30MPa的模壓成型后，進(jìn)行300MPa的冷等靜壓制成內(nèi) 徑為Φ56mm，外徑為Φ76mm的圓環(huán)，放入烘箱中50 70°C干燥12小時(shí)。進(jìn)行微波燒結(jié)時(shí)， 微波的頻率為15GHz，在預(yù)燒結(jié)坯體外放置60wt% SiC+30wt% Si3N4+10wt% BN的過(guò)渡層， 調(diào)整氮?dú)鈮毫MPa，升溫速度保持在200°C /min，燒結(jié)溫度1400°C下保溫汕。然后隨爐冷 卻。實(shí)施例5按固體物質(zhì)總重量計(jì)，以平均粒徑為3 μ m，α相含量大于95%的Si3N4為主要原 料，加入3wt%的Al2O3(純度99. 9%,平均粒度為0. 5 μ m),加入2wt% La2O3(純度99. 99%， 平均粒度為0. 5 μ m)，以氮化硅研磨球?yàn)槟ソ?，以無(wú)水乙醇為混合介質(zhì)在滾筒球磨中球磨 20h，料漿固相含量為料漿重量的45%，通過(guò)真空干燥箱干燥后過(guò)50目篩制得平均粒徑為300 μ m的實(shí)心球顆粒。將造粒后的氮化硅顆粒經(jīng)過(guò)40MPa的模壓成型后，進(jìn)行400MPa的冷等靜壓制成內(nèi) 徑為Φ56mm，外徑為Φ76mm的圓環(huán)，放入烘箱中50 70°C干燥12小時(shí)。進(jìn)行微波燒結(jié)時(shí)， 微波的頻率為^GHz,調(diào)整氮?dú)鈮毫MPa，升溫速度保持在150°C /min，燒結(jié)溫度1600°C下 保溫4h。然后隨爐冷卻。實(shí)施例6按固體物質(zhì)總重量計(jì)，以平均粒徑為5 μ m，α相含量大于95%的Si3N4為主要原 料，加入2wt%的MgO(純度99. 9%,平均粒度為0. 5 μ m),加入3wt% La2O3(純度99. 99%， 平均粒度為0. 5 μ m)，以氮化硅研磨球?yàn)槟ソ?，以無(wú)水乙醇為混合介質(zhì)在滾筒球磨中球磨 20h，料漿固相含量為料漿重量的45%，通過(guò)真空干燥箱干燥后過(guò)50目篩制得平均粒徑為 300 μ m的實(shí)心球顆粒。將造粒后的氮化硅顆粒經(jīng)過(guò)40MPa的模壓成型后，進(jìn)行400MPa的冷等靜壓制成內(nèi) 徑為Φ56mm，外徑為Φ76mm的圓環(huán)，放入烘箱中50 70°C干燥12小時(shí)。進(jìn)行微波燒結(jié)時(shí)， 微波的頻率為30GHz，調(diào)整氮?dú)鈮毫MPa，升溫速度保持在300°C /min，燒結(jié)溫度1750°C下 保溫lOmin。然后隨爐冷卻。Pa。
權(quán)利要求
1.一種自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)在氮化硅粉末中摻加燒結(jié)助劑，在介質(zhì)中混合均勻制得料漿；(2)將料漿干燥后過(guò)篩，模壓后經(jīng)冷等靜壓成型；(3)在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行微波燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于，所 述燒結(jié)的熱源為300MHz 30GHz頻率的微波，在微波頻率低于25GHz時(shí)在氮化硅陶瓷外覆 蓋過(guò)渡層加熱；在微波頻率高于25GHz時(shí)不在氮化硅陶瓷外覆蓋過(guò)渡層而直接加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要1所述自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于所述微波 燒結(jié)在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行，其壓力為0. 05 IMPa ；所述升溫速度為10 300°C /min ；所述燒 結(jié)溫度可為1400 1750°C ；所述燒結(jié)時(shí)間可以為IOmin 4h。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于所述 過(guò)渡層為 50 60wt% SiC+20 30wt% Si3N4+10 30wt% BN。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于所 述三維球磨為將原料粉末按比例配成混合粉體，然后加入無(wú)水乙醇配成漿料并球磨，其漿 料固體容量為40 55%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于所述 氮化硅粉末中a-Si3N4含量應(yīng)大于氮化硅總重量的95%，氮化硅粉末粒徑控制在0. 1 5 μ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于所述燒 結(jié)助劑可以是A1203、Y2O3> MgO、Sm2O3> Ce2O3> La2O3中的一種或多種混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于， 所述摻加燒結(jié)助劑，按料漿固體物質(zhì)總重量計(jì)，所述Al203、Mg0的加入量為1 3wt%，所述 Y2O3> Sm2O3> Ce2O3> La2O3 的加入量為 2 5wt%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于所述 介質(zhì)為無(wú)水乙醇、異丙、酒精、汽油、蒸餾水或去離子水。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于所 述模壓成型壓力為20 40MPa，冷等靜壓成型壓力200 400M。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成法的制備工藝，一種自增韌氮化硅陶瓷微波固相合成制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)在氮化硅粉末中摻加燒結(jié)助劑，在介質(zhì)中混合均勻制得料漿；(2)將料漿干燥后過(guò)篩，模壓后經(jīng)冷等靜壓成型；(3)在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行微波燒結(jié)。本發(fā)明克服了使用傳統(tǒng)常壓和氣壓燒結(jié)工藝存在的加熱效率低、燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，能耗大，晶粒粗大，易開(kāi)裂等缺陷。本發(fā)明工藝可大大縮短燒結(jié)時(shí)間，降低燒結(jié)溫度，產(chǎn)品性能要優(yōu)于傳統(tǒng)燒結(jié)方法的產(chǎn)品性能，且操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低可批量化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/584GK102070341SQ200910044778
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者劉佳女, 黃亮 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙平拓新材料科技有限公司