專利名稱：自蔓延反應燒結Si的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于自蔓延高溫合成技術領域，特別是提供了一種自蔓延反應燒結Si3N4/BN復相可加工陶瓷的方法。
背景技術：
自1967年前蘇聯(lián)學者A.G.Merzhanov和I.P.Borovinskaya發(fā)現(xiàn)SHS現(xiàn)象以來，SHS一直是材料科學與工程領域的研究方向之一。
自蔓延高溫合成技術特點是點燃反應物粉末或粉末壓坯，通過粉末之間發(fā)生高放熱化學反應，使得鄰近的粉末溫度升高而引發(fā)其發(fā)生新的反應，從而使反應以燃燒波的形式得以蔓延到整個反應物料區(qū)，最終合成材料。
自蔓延高溫合成技術具有許多優(yōu)點(1)燃燒合成過程充分利用了反應物的化學能，一般情況下不需要補充能量，能耗低。
(2)由于利用了反應物自身所含有的能量，燃燒速度快，過程短暫，因而生產效率高。
(3)同時由于高的溫度梯度和快的冷卻速度易于獲得活性很高的介穩(wěn)相產品和具有高濃度結構缺陷的材料。
(4)反應溫度高使多數(shù)雜質得以揮發(fā)產品純度很高。
(5)燃燒合成過程不需要高溫加熱爐，設備簡單，投資小。
氮化硅陶瓷以其優(yōu)異的高溫，高強度，以及耐環(huán)境作用等綜合性能，可望成為工程應用中最有價值的陶瓷材料之一。但氮化硅陶瓷像大多數(shù)結構陶瓷一樣難以加工限制了其應用。近年來為改善其可加工性，人們做了許多研究工作①王向東等采用化學溶液法，合成了以納米尺寸h-BN包覆微米Si3N4的復合粉體，該復合粉體經熱壓制備出既具有較高力學性能，同時又具有較好可加工性的復相陶瓷。②Kawai等在制備Si3N4多孔材料時，有選擇地生成柱狀β-Si3N4，以形成柱狀β-Si3N4晶粒在三維方向隨機相接成閉孔的多孔陶瓷。他們發(fā)現(xiàn)具有上述微結構的氮化硅多孔陶瓷，在孔隙率為38％時，彎曲強度達到455MPa，并很容易用硬質合金工具加工。③王瑞剛等將功能梯度(FGM)的思想引入到可加工陶瓷設計中，制備了中心層為純Si3N4相兩邊為h-BN含量遞增的具有對稱結構的Si3N4/h-BN復相陶瓷。整個陶瓷塊體表層具有良好的可加工性，同時由于心部的純Si3N4使陶瓷塊體保持了較高的力學性能。但是這幾種方法燒結溫度高，能耗大，并且因受設備限制產品尺寸較小，因此阻礙了其生產和實際應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種自蔓延反應燒結Si3N4/BN復相可加工陶瓷的方法。實現(xiàn)了工藝簡單，燒結速度快，能耗低，效率高。
本發(fā)明采用Si粉，h-BN粉為原料，以Al2O3粉為燒結添加劑，Si3N4粉為稀釋劑，通過調整原料配比，料坯成型后，埋入SHS“化學爐”，點火進行自蔓延反應燒結制備一維和二維大尺寸的Si3N4/BN復相可加工陶瓷。
(1)“化學爐”采用的埋粉為Si粉和Si3N4粉的混合粉。其配比為Si粉含量50～70重量％，Si3N4粉含量30～50重量％。
(2)對于不添加Si3N4粉稀釋劑的Si3N4/BN可加工陶瓷原料配比為BN粉含量為15～35體積％，Si粉含量為65～85體積％，再外加2～14重量％Al2O3粉，料坯相對密度50～80％，SHS反應的N2壓力4～10MPa。
(3)對于添加Si3N4粉稀釋劑的Si3N4/BN可加工陶瓷原料配比為BN粉含量為15～35體積％，Si粉含量為40～60體積％，Si3N4粉稀釋劑的含量5～45體積％，再外加2～14重量％Al2O3粉，料坯相對密度50～80％，SHS反應的N2壓力4～10MPa。
本發(fā)明的原理及優(yōu)點簡述如下利用Si和N2合成Si3N4反應的絕熱燃燒溫度高和體積增加，及h-BN陶瓷可加工性好的特點，為改善氮化硅陶瓷材料的可加工性，本方法是用h-BN相在氮化硅陶瓷中形成弱界面。當加工時，弱界面上會形成微裂紋，并沿弱界面發(fā)生偏轉，耗散裂紋擴展的能量使裂紋擴展終止；當載荷繼續(xù)上升時，在下層的弱結合界面處將產生新的臨界裂紋再擴展；如此反復，使裂紋成為跳躍式階梯狀擴展，斷裂漸次發(fā)生而非瞬間脆斷，使陶瓷材料具有了可加工性。
工藝路線(1)原料按指定的配比配料(2)混料5小時(3)干燥好的粉料過100目篩子造粒(4)料坯成型(5)將壓好的料坯埋入“化學爐”中，然后在高壓釜中點燃進行自蔓延反應燒結。
本方法與其他制備方法(常壓燒結、熱壓燒結、反應燒結)相比較其優(yōu)點是原料采用Si粉，比以Si3N4粉為原料成本要低；燒結所需要的能量完全由原料自身放熱提供，不需要加熱設備且大大節(jié)省了能源；工藝簡單，燒結速度快，效率高；產品可加工性能優(yōu)良，適合制備一維，二維的大尺寸制品。
具體實施例方式
例1不加稀釋劑的Si3N4/BN可加工陶瓷實驗所用Si粉純度99.6％，粒度1μm；h-BN粉純度98％，粒度200目。反應物含量Si粉為67體積％，h-BN粉為33體積％，再外加6重量％的Al2O3粉作為燒結助劑。在尼龍球磨罐中，以無水乙醇為介質，混料5h，然后在80℃干燥15h。稱6.5g干燥好的料在鋼模中用12MPa的力壓制成尺寸為8×10×55mm的條型料坯，料坯相對密度約50％。
在石墨料舟中將壓好的料坯埋在60重量％Si粉+40重量％Si3N4粉的混合埋粉(Si粉和Si3N4粉手混后過100目的篩子)中。然后在10升臥式自蔓延高溫合成高壓釜中，充入氮氣，一端用鈦粉作點火劑，用鎢絲點燃，進行自蔓延高溫合成。氮氣壓力6.5MPa，點火電壓110V，電流10A。
例2添加稀釋劑的Si3N4/BN可加工陶瓷實驗所用Si粉純度99.6％，粒度1μm；h-BN粉純度98％，粒度200目；Si3N4粉純度大于95％，粒度小于300目。反應物含量Si粉為50體積％，h-BN粉為33體積％，加入17體積％Si3N4粉為稀釋劑，再外加6重量％的Al2O3粉作為燒結助劑。其他工藝與例1相同。
權利要求
1一種自蔓延反應燒結Si3N4/BN復相可加工陶瓷的方法，其特征在于Si3N4/BN可加工陶瓷原料配比為BN粉含量為15～35體積％，Si粉含量為65～85體積％，再外加2～14重量％Al2O3粉，料坯相對密度50～80％，化學爐采用的埋粉為Si粉和Si3N4粉的混合粉，其配比為Si粉含量為50～70重量％，Si3N4粉含量為30～50重量％；SHS反應的N2壓力為4～10MPa。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于對于添加Si3N4粉稀釋劑的Si3N4/BN可加工陶瓷原料配比為BN粉含量為15～35體積％，Si粉含量為40～60體積％，Si3N4粉稀釋劑的含量5～45體積％，再外加2～14重量％Al2O3粉，料坯相對密度50～80％，SHS反應的N2壓力為4～10MPa。
全文摘要
自蔓延反應燒結Si
文檔編號C04B35/584GK1903789SQ20061008901
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權日2006年7月28日
發(fā)明者沈衛(wèi)平, 張強 申請人:北京科技大學