專利名稱：一種半透明氮化硅陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半透明氮化硅陶瓷及其制備方法，屬于非氧化物透明陶瓷的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從上世紀(jì)60年代透明氧化鋁陶瓷(U.S.P.3026210)問世以來，人們已經(jīng)制備出了一系列氧化物透明陶瓷材料，如MgO、Y2O3(專利1562886)、YAG(專利1562880)等，并在紅外窗口、高溫窗口以及高溫或強(qiáng)輻射條件下工作的照相鏡頭等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由于氧化物透明陶瓷材料的機(jī)械性能、耐熱沖擊性能較差以及熱導(dǎo)率較低，因而越來越難以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
近年來，氮化物陶瓷材料因其優(yōu)良的綜合性能而被受關(guān)注，并成功制備出了透明AlN陶瓷(日本窯業(yè)協(xié)會(huì)志，Vol.93，No.9，1985，pp517-522；專利1199036A)。氮化硅陶瓷具有優(yōu)良的耐高溫性、導(dǎo)熱性和較AlN陶瓷更為優(yōu)異的機(jī)械性能，是重要的先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料。然而陶瓷透明必須具備高密實(shí)度、高純度、晶界無雜質(zhì)富集、晶粒等軸等條件。文獻(xiàn)報(bào)道表明(S.Hampshire and K.H.Jack，“The Kinetics of Densification and PhaseTransformation of Nitrogen Ceramics”，Proc.Br.Ceram.Soc.，31，37-49(1981))，在1600℃左右等軸的α-Si3N4顆粒通過溶解-析晶機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殚L柱狀的β-Si3N4顆粒，雖然長柱狀的β-Si3N4顆粒的形成有助于提高材料的斷裂韌性但是難以達(dá)到透明陶瓷對(duì)于材料顯微結(jié)構(gòu)的要求。因此，在高溫?zé)Y(jié)過程中抑制β-Si3N4顆粒的形成以獲得具有密實(shí)等軸α-Si3N4顆粒組成的密實(shí)結(jié)構(gòu)是制備透明氮化硅陶瓷的關(guān)鍵。
通常制備透明陶瓷是采用無壓、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)以及低溫?zé)釅簾Y(jié)之后的熱處理等工藝。然而陶瓷晶體往往以強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，其晶格擴(kuò)散系數(shù)很低，燒結(jié)十分困難。由于獲得接近完全密實(shí)的燒結(jié)體是制備透明陶瓷的必要條件，傳統(tǒng)制備工藝必須面對(duì)是燒結(jié)時(shí)間長(幾～幾十小時(shí))、溫度高、能耗大、工藝復(fù)雜且制造成本高等困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高密實(shí)度的半透明氮化硅陶瓷及其制備方法，這種半透明氮化硅陶瓷呈現(xiàn)光學(xué)半透明性，主要物相組成為α-Si3N4相；該方法在高溫?zé)Y(jié)過程中能抑制β-Si3N4顆粒的形成，具有燒結(jié)時(shí)間短、升溫速度快、能耗和時(shí)耗低的特點(diǎn)。
本發(fā)明提出以α-Si3N4粉末為主要原料，MgO、Y2O3和Al2O3粉末為添加劑，采用脈沖電流燒結(jié)技術(shù)，通過添加劑抑止長柱狀β-Si3N4顆粒的形成并快速制備半透明氮化硅陶瓷。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種半透明氮化硅陶瓷，其特征在于它由α-Si3N4粉、Al2O3粉和MgO粉或MgO粉與Y2O3粉之和原料制備而成；各原料所占質(zhì)量百分比為α-Si3N4粉82～95，Al2O3粉2～8，MgO粉或MgO粉與Y2O3粉之和2～10。當(dāng)采用MgO粉和Y2O3粉時(shí)，Y2O3粉的加入質(zhì)量大于0，且Y2O3粉的加入質(zhì)量小于或等于MgO粉和Y2O3粉質(zhì)量的50％。
一種半透明氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于它包括如下步驟1).選取原料按質(zhì)量百分比為α-Si3N4粉82～95，Al2O3粉2～8，MgO粉或MgO粉與Y2O3粉之和2～10選取α-Si3N4粉，Al2O3粉，MgO粉或MgO粉和Y2O3粉備用；2).將α-Si3N4粉，Al2O3粉，MgO粉或MgO粉和Y2O3粉在行星式球磨機(jī)上球磨混料6～12小時(shí)，酒精為球磨介質(zhì)，Al2O3球?yàn)榍蚰デ颍珹l2O3球∶料∶酒精質(zhì)量比＝2～3∶1∶1.5～3；3).將球磨后的混合物料真空下83-87℃干燥，過篩100目篩；4).將過篩后的混合物料直接置于石墨模具中，然后放入脈沖電流燒結(jié)爐中，施加20～30MPa的軸向壓力，在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，N2氣壓力為0.01～0.1MPa，升溫速度50～300℃/min，待升溫至燒結(jié)溫度1750～1900℃時(shí)，保溫0～15min后隨爐冷卻至室溫；5).將燒結(jié)獲得的材料，經(jīng)過切割、研磨、拋光至鏡面，得半透明氮化硅陶瓷。
所述的步驟1)中當(dāng)采用MgO粉和Y2O3粉時(shí)，Y2O3粉的加入質(zhì)量大于0，且Y2O3粉的加入質(zhì)量小于或等于MgO粉和Y2O3粉質(zhì)量的50％。
MgO、Al2O3、Y2O3是制備密實(shí)氮化硅陶瓷的燒結(jié)助劑，這些金屬氧化物添加劑能夠和氮化硅的表面氧化層在1600℃左右發(fā)生高溫反應(yīng)生成液相，實(shí)現(xiàn)氮化硅陶瓷的液相燒結(jié)，同時(shí)α-Si3N4在液相中通過溶解-析晶機(jī)制發(fā)生向β-Si3N4相的轉(zhuǎn)變。然而，通過控制燒結(jié)助劑的含量，可以調(diào)節(jié)燒結(jié)過程中形成的液相含量，以減少長柱狀β-Si3N4晶粒的形成。另外，在常規(guī)無壓或熱壓燒結(jié)過程中，由于在燒結(jié)溫度下長時(shí)間保溫，α-Si3N4晶粒能夠充分地轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Si3N4晶粒，并且生成的β-Si3N4晶粒有足夠的時(shí)間和空間生長為長柱狀晶粒。本發(fā)明采用脈沖電流燒結(jié)技術(shù)，由于存在脈沖電流以及其誘導(dǎo)的各種場(chǎng)效應(yīng)作用等新機(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)時(shí)間短、升溫速度快、能耗和時(shí)耗低。在脈沖電流燒結(jié)過程中，氮化硅陶瓷的致密化在數(shù)分鐘內(nèi)完成，α-Si3N4晶粒來不及完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Si3N4晶粒，同時(shí)生成的β-Si3N4晶粒在生長為長柱狀晶粒前材料已經(jīng)達(dá)到了高的密實(shí)度，其生長時(shí)間和空間都被大大限制。因此通過脈沖電流燒結(jié)技術(shù)能夠制備出以等軸α-Si3N4相為主要物相的密實(shí)氮化硅材料。在燒結(jié)過程中，引入的氧化物燒結(jié)助劑因?yàn)橄嗷ジ邷胤磻?yīng)生成等軸的尖晶石和石榴石，這些化合物不僅具有光學(xué)透明性而且能夠抑止α-Si3N4晶粒的生長，從而獲得晶粒尺寸均勻、細(xì)小的等軸α-Si3N4相為主相，等軸尖晶石和石榴石彌散于其內(nèi)部的具有光學(xué)半透明性的密實(shí)氮化硅陶瓷材料。
本發(fā)明制備方法得到的半透明氮化硅陶瓷最低相對(duì)密度大于97％，平均相對(duì)密度接近理論密度，晶粒均勻細(xì)小，以等軸α-Si3N4相為主，紅外透過率為30％～45％。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1以α-Si3N4粉、MgO粉、Y2O3粉和Al2O3粉的混合物為原料，其中α-Si3N4粉的質(zhì)量含量為83％、MgO粉的質(zhì)量含量為6％、Y2O3粉的質(zhì)量含量為3％、Al2O3粉的質(zhì)量含量為8％。在行星式球磨機(jī)上球磨混料10小時(shí)，酒精為球磨介質(zhì)，Al2O3球?yàn)榍蚰デ?，Al2O3球∶料(α-Si3N4粉、MgO粉、Y2O3粉和Al2O3粉)∶酒精質(zhì)量比＝2∶1∶3。將球磨后的混合物料真空下83-87℃干燥，過篩100目篩；然后放入圓形石墨模具中，模具內(nèi)徑為20mm。把石墨模具放入脈沖電流燒結(jié)爐中，施加25MPa的軸向壓力，在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，N2氣壓力為0.05MPa，升溫速度150℃/min，待升溫至燒結(jié)溫度1850℃時(shí)，保溫5min后隨爐冷卻至室溫。將燒結(jié)獲得的材料，經(jīng)過切割、研磨、拋光至鏡面，得半透明氮化硅陶瓷。經(jīng)測(cè)定，半透明氮化硅陶瓷中的氮化硅組成為α-Si3N485％、β-Si3N415％。半透明氮化硅陶瓷的相對(duì)密實(shí)度為98.8％，最大紅外透過率為32％。
實(shí)施例2以α-Si3N4粉、MgO粉和Al2O3粉的混合物為原料，其中α-Si3N4粉的質(zhì)量含量為90％、MgO粉的質(zhì)量含量為5％、Al2O3粉的質(zhì)量含量為5％。在行星式球磨機(jī)上球磨混料10小時(shí)，酒精為球磨介質(zhì)，Al2O3球?yàn)榍蚰デ?，Al2O3球∶料(α-Si3N4粉、MgO粉和Al2O3粉)∶酒精質(zhì)量比＝2∶1∶3。將球磨后的混合物料真空下83-87℃干燥，過篩100目篩；然后放入圓形石墨模具中，模具內(nèi)徑為20mm。把石墨模具放入脈沖電流燒結(jié)爐中，施加30MPa的軸向壓力，在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，N2氣壓力為0.05MPa，升溫速度150℃/min，待升溫至燒結(jié)溫度1850℃時(shí)，保溫15min后隨爐冷卻至室溫。將燒結(jié)獲得的材料，經(jīng)過切割、研磨、拋光至鏡面，得半透明氮化硅陶瓷。經(jīng)測(cè)定，半透明氮化硅陶瓷中的氮化硅組成為α-Si3N472％、β-Si3N428％。半透明氮化硅陶瓷的相對(duì)密實(shí)度為99.3％，最大紅外透過率為43％。
實(shí)施例3以α-Si3N4粉、MgO粉、Y2O3粉和Al2O3粉的混合物為原料，其中α-Si3N4粉的質(zhì)量含量為86％、MgO粉的質(zhì)量含量為4％、Y2O3粉的質(zhì)量含量為2％、Al2O3粉的質(zhì)量含量為8％。在行星式球磨機(jī)上球磨混料10小時(shí)，酒精為球磨介質(zhì)，Al2O3球?yàn)榍蚰デ?，Al2O3球∶料(α-Si3N4粉、MgO粉、Y2O3粉和Al2O3粉)∶酒精質(zhì)量比＝2∶1∶3。將球磨后的混合物料真空下83-87℃干燥，過篩100目篩；然后放入圓形石墨模具中，模具內(nèi)徑為20mm。把石墨模具放入脈沖電流燒結(jié)爐中，施加25MPa的軸向壓力，在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，N2氣壓力為0.05MPa，升溫速度300℃/min，待升溫至燒結(jié)溫度1900℃時(shí)，保溫10min后隨爐冷卻至室溫。將燒結(jié)獲得的材料，經(jīng)過切割、研磨、拋光至鏡面，得半透明氮化硅陶瓷。經(jīng)測(cè)定，半透明氮化硅陶瓷中的氮化硅組成為α-Si3N481％、β-Si3N419％。半透明氮化硅陶瓷的相對(duì)密實(shí)度為99.1％，最大紅外透過率為38％。
實(shí)施例4一種半透明氮化硅陶瓷的制備方法，它包括如下步驟1).選取原料按質(zhì)量百分比為α-Si3N4粉82、MgO粉10、Al2O3粉8選取α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉備用；2).將α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉在行星式球磨機(jī)上球磨混料6小時(shí)，酒精為球磨介質(zhì)，Al2O3球?yàn)榍蚰デ颍珹l2O3球∶料(α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉)∶酒精質(zhì)量比＝2∶1∶1.5；3).將球磨后的混合物料真空下83-87℃干燥，過篩100目篩；4).將過篩后的混合物料直接置于石墨模具中，然后放入脈沖電流燒結(jié)爐中，施加20MPa的軸向壓力，在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，N2氣壓力為0.01MPa，升溫速度50℃/min，待升溫至燒結(jié)溫度1750℃時(shí)，保溫0min后，隨爐冷卻至室溫；5).將燒結(jié)獲得的材料，經(jīng)過切割、研磨、拋光至鏡面，得半透明氮化硅陶瓷。
經(jīng)測(cè)定，半透明氮化硅陶瓷中的氮化硅組成為α-Si3N492％、β-Si3N48％。半透明氮化硅陶瓷的相對(duì)密實(shí)度為97.4％，最大紅外透過率為30.5％。
實(shí)施例5一種半透明氮化硅陶瓷的制備方法，它包括如下步驟1).選取原料按質(zhì)量百分比為α-Si3N4粉95、MgO粉2、Al2O3粉3選取α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉備用；2).將α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉在行星式球磨機(jī)上球磨混料12小時(shí)，酒精為球磨介質(zhì)，Al2O3球?yàn)榍蚰デ?，Al2O3球∶料(α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉)∶酒精質(zhì)量比＝3∶1∶3；
3).將球磨后的混合物料真空下83-87℃干燥，過篩100目篩；4).將過篩后的混合物料直接置于石墨模具中，然后放入脈沖電流燒結(jié)爐中，施加30MPa的軸向壓力，在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，N2氣壓力為0.1MPa，升溫速度300℃/min，待升溫至燒結(jié)溫度1900℃時(shí)，保溫15min后隨爐冷卻至室溫；5).將燒結(jié)獲得的材料，經(jīng)過切割、研磨、拋光至鏡面，得半透明氮化硅陶瓷。
經(jīng)測(cè)定，半透明氮化硅陶瓷中的氮化硅組成為α-Si3N478％、β-Si3N422％。半透明氮化硅陶瓷的相對(duì)密實(shí)度為98.9％，最大紅外透過率為41％。
實(shí)施例6一種半透明氮化硅陶瓷的制備方法，它包括如下步驟1).選取原料按質(zhì)量百分比為α-Si3N4粉90、MgO粉8、Al2O3粉2選取α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉備用；2).將α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉在行星式球磨機(jī)上球磨混料10小時(shí)，酒精為球磨介質(zhì)，Al2O3球?yàn)榍蚰デ?，Al2O3球∶料(α-Si3N4粉、MgO粉、Al2O3粉)∶酒精質(zhì)量比＝2.5∶1∶2；3).將球磨后的混合物料真空下83-87℃干燥，過篩100目篩；4).將過篩后的混合物料直接置于石墨模具中，然后放入脈沖電流燒結(jié)爐中，施加25MPa的軸向壓力，在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，N2氣壓力為0.05MPa，升溫速度200℃/min，待升溫至燒結(jié)溫度1850℃時(shí)，保溫10min后隨爐冷卻至室溫；5).將燒結(jié)獲得的材料，經(jīng)過切割、研磨、拋光至鏡面，得半透明氮化硅陶瓷。
經(jīng)測(cè)定，半透明氮化硅陶瓷中的氮化硅組成為α-Si3N476％、β-Si3N424％。半透明氮化硅陶瓷的相對(duì)密實(shí)度為99％，最大紅外透過率為37％。
權(quán)利要求
1.一種半透明氮化硅陶瓷，其特征在于它由α-Si3N4粉、Al2O3粉和MgO粉或MgO粉與Y2O3粉之和原料制備而成；各原料所占質(zhì)量百分比為α-Si3N4粉82～95，Al2O3粉2～8，MgO粉或MgO粉與Y2O3粉之和2～10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半透明氮化硅陶瓷，其特征在于當(dāng)采用MgO粉和Y2O3粉時(shí)，Y2O3粉的加入質(zhì)量大于0，且Y2O3粉的加入質(zhì)量小于或等于MgO粉和Y2O3粉質(zhì)量的50％。
3.一種半透明氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于它包括如下步驟1).選取原料按質(zhì)量百分比為α-Si3N4粉82～95，Al2O3粉2～8，MgO粉或MgO粉與Y2O3粉之和2～10選取α-Si3N4粉，Al2O3粉，MgO粉或MgO粉和Y2O3粉備用；2).將α-Si3N4粉，Al2O3粉，MgO粉或MgO粉和Y2O3粉在行星式球磨機(jī)上球磨混料6～12小時(shí)，酒精為球磨介質(zhì)，Al2O3球?yàn)榍蚰デ?，Al2O3球∶料∶酒精質(zhì)量比＝2～3∶1∶1.5～3；3).將球磨后的混合物料真空下83-87℃干燥，過篩100目篩；4).將過篩后的混合物料直接置于石墨模具中，然后放入脈沖電流燒結(jié)爐中，施加20～30MPa的軸向壓力，在N2氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，N2氣壓力為0.01～0.1MPa，升溫速度50～300℃/min，待升溫至燒結(jié)溫度1750～1900℃時(shí)，保溫0～15min后隨爐冷卻至室溫；5).將燒結(jié)獲得的材料，經(jīng)過切割、研磨、拋光至鏡面，得半透明氮化硅陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半透明氮化硅陶瓷的制備方法，其特征在于所述的步驟1)中當(dāng)采用MgO粉和Y2O3粉時(shí)，Y2O3粉的加入質(zhì)量大于0，且Y2O3粉的加入質(zhì)量小于或等于MgO粉和Y2O3粉質(zhì)量的50％。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半透明氮化硅陶瓷及其制備方法。一種半透明氮化硅陶瓷，其特征在于它由α－Si
文檔編號(hào)C04B35/622GK1736950SQ20051001927
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者王皓, 傅正義, 王為民, 王玉成, 張金詠, 張清杰 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)