專利名稱：高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬無機(jī)非金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷制造方法。
背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能，作為結(jié)構(gòu)材料得到了普遍關(guān)注。一般氮化硅的抗彎強(qiáng)度可超過1000MPa，然而其熱導(dǎo)率只有20-30W/mK，與氧化鋁陶瓷相近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷(180-260W/mK)。文獻(xiàn)“J.S.Haggerty，A.Lightfoot，Opportunities for Enhancing the Thermal Conductivities of SiCand Si3N4 Ceramics through Improved Processing，Ceram.Eng.Sci.Proc.，1995，16(4)p475-487.”的計(jì)算表明氮化硅的本征熱導(dǎo)率為320W/mK，與氮化鋁的本征熱導(dǎo)率(320W/mK)相同，而文獻(xiàn)“N.Hirosaki，S.Ogata，C.Kocer，H.Kitagawa，and Y.Nakamura，Molecular dynamics calculation of the idealthermal conductivity of single-crystal α-and β-Si3N4，Phys.Rev.B，2002，65，134110”的計(jì)算表明氮化硅的β-Si3N4的a軸和c軸的理論熱導(dǎo)率分別為170和450W/mK，這為研制高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷提供了理論依據(jù)。
目前獲取高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷要靠高溫長時(shí)間加熱處理，例如文獻(xiàn)“N.Hirosaki，Y.Okamoto，M.Ando，F(xiàn).Munakata，Y.Akimune，ThermalConductivity of Gas-Pressure-Sintered Silicon Nitride，J.Am.Ceram.Soc.1996，79(11)p2878-82”報(bào)道，在100MPa的氮?dú)庵?000℃燒結(jié)4小時(shí)獲得了熱導(dǎo)率為120W/mK的氮化硅陶瓷；文獻(xiàn)“Watari K；Hirao K；Brito ME；ToriyamaM；Kanzaki S，Hot isostatic pressing to increase thermal conductivity ofSi3N4ceramics，J.Mat.Res.1999，14(4)p1538-1541”中報(bào)道，在原料中添加β-Si3N4種晶、并使之定向排列，經(jīng)1800℃熱壓燒結(jié)后在2500℃熱等靜壓處理2小時(shí)在與β-Si3N4種晶平行的方向獲得了目前最高的熱導(dǎo)率155W/mK。這些研究證明了高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的實(shí)際可行性，但是所采取的高溫長時(shí)間加熱處理造成陶瓷晶粒異常長大，力學(xué)性能急劇降低，無法實(shí)際應(yīng)用。目前可以實(shí)際應(yīng)用的高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率低于60W/mK左右，強(qiáng)度低于700MPa。對(duì)于高熱導(dǎo)率的產(chǎn)生機(jī)理，一般認(rèn)為高溫加熱處理或添加晶種燒結(jié)后在氮化硅陶瓷中形成的粗大β-Si3N4柱狀晶本身具有較高的熱導(dǎo)率，是氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率升高的原因，這意味著熱導(dǎo)率和力學(xué)性能不可兼得。這是造成高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的應(yīng)用研究徘徊不前的主要原因。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷制造方法。其特征在于所述高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度陶瓷材料的制造方法是在氮化硅粉體中添加稀土化合物燒結(jié)助劑；采用放電等離子燒結(jié)工藝在真空中燒結(jié)成氮化硅陶瓷；再在高溫進(jìn)行加熱處理等工序制造而成的。具體工藝是在氮化硅粉體中添加2-10wt％的稀土化合物和0-6wt％低溫?zé)Y(jié)助劑，經(jīng)過球磨、烘干、粉碎、過篩工序，得到混合均勻的復(fù)合粉體后，將該混合粉體裝填入放電等離子燒結(jié)裝置的石墨模具之中，抽真空后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，加熱速度為1-10K/s，加熱溫度為1500-1800℃，保溫時(shí)間為0-10分鐘，獲得致密的氮化硅陶瓷，然后，再將該陶瓷在氮?dú)鈿夥占訜岬?500-2000℃，保溫時(shí)間為30分鐘至5小時(shí)進(jìn)行高溫加熱處理，獲得高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷。
本發(fā)明的有益效果是在氮化硅粉體中添加稀土化合物燒結(jié)助劑和低溫?zé)Y(jié)助劑，先采用等離子燒結(jié)工藝在真空中燒結(jié)成氮化硅陶瓷，再在高溫下進(jìn)行加熱處理，具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)組織均勻的特點(diǎn)，可以凈化氮化硅晶粒，提高熱導(dǎo)率。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷制造方法。具體工藝是在氮化硅粉體中添加2-10wt％的稀土化合物和0-6wt％的低溫?zé)Y(jié)助劑，經(jīng)過球磨、烘干、粉碎、過篩工序，得到混合均勻的復(fù)合粉體后，將該混合粉體裝填入放電等離子燒結(jié)裝置的石墨模具之中，抽真空后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，加熱速度為1-10K/s，加熱溫度為1500-1800℃，保溫時(shí)間為2-10分鐘，獲得致密的氮化硅陶瓷；然后，再將該陶瓷在氮?dú)鈿夥罩屑訜岬?500-2000℃，保溫時(shí)間為30分鐘至5小時(shí)進(jìn)行高溫加熱處理，獲得高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷。
添加稀土化合物的目的是為了在燒結(jié)或者加熱處理過程中能夠和氮化硅粉體中所含有的氧元素發(fā)生反應(yīng)，以凈化氮化硅晶粒，提高熱導(dǎo)率。本發(fā)明的實(shí)施例中多采用價(jià)格低廉的Y2O3稀土化合物。其它化學(xué)性能相近的稀土化合物如CeO2、Yb2O3、Dy2O3、YF等也能達(dá)到同樣的目的，同樣可以作為本發(fā)明的氮化硅陶瓷燒結(jié)助劑使用。添加量過少難以充分發(fā)揮其作用，添加量過多會(huì)形成過多的晶界相，影響熱導(dǎo)率。根據(jù)氮化硅原料粉體的含氧量，可選擇添加2-10wt％。
另外添加低溫?zé)Y(jié)助劑MgO的目的是為了能在燒結(jié)過程中，在低溫階段形成液體、促進(jìn)燒結(jié)。其它能在低溫?zé)Y(jié)過程中和氮化硅粉體中的氧化物形成低熔點(diǎn)液體的化合物如MgSiN2、Li2O等也能達(dá)到同樣的目的。另外，由于本發(fā)明所采用的放電等離子燒結(jié)工藝具有很高的燒結(jié)活性，不添加低溫?zé)Y(jié)助劑也能在低溫進(jìn)行燒結(jié)，該第二燒結(jié)助劑亦可省略不用。
近年發(fā)展起來的放電等離子燒結(jié)工藝具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)組織均勻的特點(diǎn)。對(duì)于氮化硅陶瓷，還可以通過適當(dāng)控制工藝參數(shù)，控制β-Si3N4柱狀晶的形態(tài)，優(yōu)化組織，提高氮化硅陶瓷的斷裂韌性。申請(qǐng)人的研究發(fā)現(xiàn)，通過控制燒結(jié)過程中的加熱速度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間，能夠獲得晶粒細(xì)小、組織致密的氮化硅陶瓷。加熱速度為1-10K/s，加熱溫度為1500-1800℃，保溫時(shí)間為2-10分鐘可以得到良好的燒結(jié)體。
采用放電等離子燒結(jié)工藝雖然可以提供晶粒細(xì)小、組織致密的陶瓷，但并不能獲得高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷。經(jīng)過深入的研究，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，對(duì)放電等離子燒結(jié)獲得的氮化硅陶瓷進(jìn)行高溫加熱處理，能夠同時(shí)提高熱導(dǎo)率和力學(xué)性能，獲得所需的高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷。加熱溫度過低，加熱時(shí)間過短，起不到所需的效果，而過高的加熱溫度和過長的加熱時(shí)間將導(dǎo)致制造成本急劇增加。本發(fā)明實(shí)施例所選成分的合適的加熱溫度為1700℃-2000℃，合適的加熱時(shí)間為30分到5小時(shí)。
氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率(k)是采用脈沖激光法測定試樣的熱擴(kuò)散率，用阿基米德排水法測定試樣的密度，然后，用下面所列公式計(jì)算求得的。
k＝α·p·Cp其中α是試樣的熱擴(kuò)散率，p是試樣的密度，Cp是等壓熱容(0.7J/K·g)。
試樣的抗彎強(qiáng)度是采用3點(diǎn)彎曲法測量的。試樣的維氏硬度測量荷重為10Kg，加壓時(shí)間為15秒。
下面再舉實(shí)例對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1在氮化硅粉體中添加5wt％的Y2O3和3wt％的MgO作燒結(jié)助劑，添加酒精球磨混合24小時(shí)后，經(jīng)烘干、研磨后過80目篩，獲得混合均勻的復(fù)合粉料。
取一定量的粉料放入圓環(huán)狀的石墨模具中，模具外包裹上隔熱碳?xì)?，裝入放電等離子燒結(jié)裝置中(SPS-1050，SUMITOMO COAL MINING CO.LTD.JAPAN)，兩端用電極固定好。抽真空至6Pa后通電加熱，以100K/min的升溫速度升至1500℃進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)過程中通過調(diào)節(jié)電極升降保持壓力為25MPa。然后，將燒結(jié)得到的氮化硅陶瓷在氮?dú)鈿夥罩屑訜岬?900℃保溫一小時(shí)進(jìn)行加熱處理。
所得的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為58W/mK，抗彎強(qiáng)度為1058MPa，維氏硬度為16.7GPa。
實(shí)施例2燒結(jié)和加熱處理工藝與實(shí)施例1基本相同，只是加熱處理溫度為1800℃。這樣得到的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為55W/mK，抗彎強(qiáng)度為813MPa，維氏硬度為15.9GPa。
實(shí)施例3燒結(jié)和加熱處理工藝與實(shí)施例1基本相同，只是加熱處理溫度為1700℃。這樣得到的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為42W/mK，抗彎強(qiáng)度為892MPa，維氏硬度為16.4GPa。
比較例1 燒結(jié)工藝與實(shí)施例1相同，但不進(jìn)行加熱處理。這樣得到的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為22W/mK，抗彎強(qiáng)度為344MPa，維氏硬度為14.6GPa。
比較例2 燒結(jié)和加熱處理工藝與實(shí)施例1基本相同，只是加熱處理溫度為1600℃。這樣得到的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為32W/mK，抗彎強(qiáng)度為788MPa，維氏硬度為15.9GPa。
權(quán)利要求
1.一種高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷制造方法，其特征在于所述高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度陶瓷材料的制造方法是在氮化硅粉體中添加稀土化合物燒結(jié)助劑；采用放電等離子燒結(jié)工藝在真空中燒結(jié)成氮化硅陶瓷；再在高溫進(jìn)行加熱處理等工序制造而成的；具體工藝是在氮化硅粉體中添加2-10wt％的稀土化合物和0-6wt％低溫?zé)Y(jié)助劑，經(jīng)過球磨、烘干、粉碎、過篩工序，得到混合均勻的復(fù)合粉體后，將該混合粉體裝填入放電等離子燒結(jié)裝置的石墨模具之中，抽真空后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，加熱速度為1-10K/s，加熱溫度為1500-1800℃，保溫時(shí)間為2-10分鐘，獲得致密的氮化硅陶瓷，然后，再將該陶瓷在氮?dú)鈿夥占訜岬?500-2000℃，保溫時(shí)間為30分鐘至5小時(shí)進(jìn)行高溫加熱處理，獲得高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬無機(jī)非金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域的一種高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷制造方法。是以稀土化合物為燒結(jié)助劑；采用放電等離子燒結(jié)工藝在真空中燒結(jié)成氮化硅陶瓷，再在氮?dú)鈿夥罩性诟邷貤l件下對(duì)氮化硅陶瓷進(jìn)行加熱處理，制造出同時(shí)具有高熱導(dǎo)率和高強(qiáng)度的氮化硅陶瓷。本方法具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)組織均勻細(xì)小的特點(diǎn)，并且可以凈化氮化硅晶粒，提高熱導(dǎo)率。
文檔編號(hào)C04B35/584GK1597614SQ20041003796
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月17日
發(fā)明者寧曉山, 呂鑫, 徐偉, 周和平, 陳克新 申請(qǐng)人:清華大學(xué)