專利名稱：一種耐高溫、抗氧化硅氮氧陶瓷的低溫制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及耐高溫、抗氧化介電陶瓷的制紐術，特別提供了一種低溫制備
耐高溫、抗氧化的硅氮氧(Si2N20)陶瓷塊體的方法。
背景技術：
硅氮氧(Si2N20)陶瓷是一種新型耐高溫的三元材料。它具有密度低、強度 高、硬度高、抗氧化性能好、耐腐蝕、高溫穩(wěn)定性好、抗中子輻射、介電常謝氏 和介電損耗小等許多優(yōu)良的性能。在航空、航天、核工業(yè)、超高溫結構件等高新 技術領±或都有廣泛的應用前景。盡管硅氮氧(Si2N20)陶瓷材料具有如此的優(yōu)異 性能，但制備此陶瓷材料需對艮高的溫度，從而限制了它的應用。R.Larker等(J. Am. Ceram. Soc.(美國陶瓷學會會刊)75 [1] (1992) 62)以SisN4粉和SiCb粉為原 料，Y203粉為燒結助劑，利用熱等靜壓法在180(M95(TC，反應l—4個小時后得 到致密的Si2N20。 M. Ohashi等(J. Am. Ceram. Soc.(美國陶瓷學會會刊)74 [1] (1991)109)，用Si3N4粉和Si02粉為原料，Ce02粉為燒結助劑，通過熱壓方法制 備了 Si2N20，反應溫度1750 °C，反應時間2小時。，制備方法要求，相X寸 較高，反應時間長。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種耐高溫、抗氧化的硅氮氧(Si2N20)陶瓷材料的 制備方法，解決現有技術中制備硅氮氧(Si2N20)陶瓷材料時，存在的溫度相對 較高、，反應時間長等問題。該方fe^皿度相對較低，，反應時間短，并且合成的 ±刺材才料力學性能好，介電常數低，損耗角正切低，晶界相中金屬離子含量低。
本發(fā)明的技術方案如下
一種耐高溫、抗氧化硅氮氧陶瓷的低溫制備方法，以Si3N4粉和Si02粉為原
料，Li2C03粉為燒結助齊l」，Si3N4和Si02的化學計量比(摩爾比)為Si3N4:Si02二 1: (0.8-1.3)， Li2C03的添加量為l-5wt.%。原料經過10~30小時研磨后，裝入 石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10"20MPa，在通有氮氣保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為10~50 °C /分鐘，燒結溫度為120CM600 °C G雄范圍為 1400—1600°C)、燒結時間為0.1—1小時。
所述加入的Si3N4彩恃立度大小0.5—5 Mm， Si02粉粒度大小1—20拜；所述燒 結方式為熱壓燒結，燒結壓強為10-30 MPa;所述研磨方式為酒精介質中球磨。
本發(fā)明的優(yōu)點是
1、 燒結溫度低，保溫時間短。本發(fā)明采用一定化學計量比的氮化硅和二氧 化硅為原料，以碳酸鋰為燒結助劑，由于燒結過程中，Li20和Si02反應生成具有 較低熔點，較小粘度的液相，促進了硅氮氧(Si2N20)陶瓷在較低纟顯度下生成和 致密化，'使致密的硅氮氧(Si2N20)陶瓷可在140(M600。C合成，低于添加其它 燒結助劑，或利用其它方法制備硅氮氧(Si2N20)陶瓷的溫度，同時燒結時間被 縮短。
2、 材料力學性能好，介電常數低，損耗角正切值小。采用本發(fā)明方法合成 的硅氮氧(Si2N20)陶瓷室溫彎曲強度高達513 MPa，介電常數和損耗角正切值 在lMHz分別只有6.2和0.0008。
3、 材料中Li的含量很低。由于Li20的蒸氣壓高，在燒結過程中容易揮發(fā)， 導致晶界中元素Li的殘留量小，從而有利于提高材料的高溫性能。
4、 采用本發(fā)明方法獲得的硅氮氧(Si2N20)陶瓷，可作為抗氧化高溫結構材 料和功能材料，具有潛在的應用價值。


圖1為合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的X-射線衍射圖譜。 圖2為添加不同含量Li2C03合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的介電常數隨頻率的 變化。
圖3為添加不同含量Li2CC)3合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的損耗角正切值隨頻
率的變;(七。
具體實船式
下面通過實施例詳述本發(fā)明。 實施例1
原料采用平均粒徑5微米的SisN4粉15克，平均粒徑15微米Si02粉7克和 Li2CO3粉0.3克，Li2C03的含量為1.4wtW，以酒精為介質球磨20小時，烘千后， 在15 MPa的壓力下冷壓成餅狀，^A石墨模具中，在通有氮氣作為保護氣氛的高溫爐(熱壓爐)中以25。C/min的升溫速率升至1500 。C，保溫0.5小時，升溫 同時壓力逐漸加到20MPa，并保持該壓力下進行燒結。X-射線衍射圖譜見附圖1， 經檢驗材料為高純的Si2N20。阿基米德法觀幌密度為2.81 g/cm3，為理論密度的 99%。介電常數和損耗角正切分別為6.18和0.0008(1MHz)?？箯潖姸葹?13 MPa， 斷裂韌性為3.3 MPaW/2，彈性模量為229GPa，硬度為17.1GPa。合成的材料中 Li的殘留量為0.06 wt%。 實施例2
與實施例l不同之處在于原料中Li2C03的含量不同、球磨時間不同、升^顯 速率和保纟顯時間不同。 '
原料采用平均粒徑5棘的SisN4粉15克，平均粒徑15麟SiCb粉7克和 Li2CO3粉0.45克，Li2C03的含量為2.1 wt.%，以酒精為介質球磨30小時，烘干 后，在10MPa的壓力下冷壓成餅狀，^A石墨模具中，在通有氮氣作為保護氣氛 的高溫爐中以2(TC/min的升溫速率升至140(TC，保溫0.7小時，升溫同時壓力 逐漸加到30MPa，并保持該壓力下進行燒結。X-射線衍射圖譜表明，合成的材料 為Si2N20。阿基米德法測得的密度為2.82g/cm3，為理論密度的100%。介電常數 和損耗角正切分別為6.19和0.0013 (lMHz)?？箯潖姸葹?02MPa，斷裂韌性為 2.9MPaTn1/2，彈性模量為229GPa，硬度為16.8GPa。合成的材料中Li的殘留量 為0.07 wt%。
實施例3
與實施例l不同之處在于原料中Li2C03的含量不同、燒結溫度、升溫速率 和保溫時間不同。
原料采用平均粒徑5微米的Si3N4粉15克，平均粒徑15微米SiCb粉7克和 Li2CO3粉0.75克，Li2C03的含量為3.5 wt.%，以酒精為介質球磨13小時，烘干 后，在2 MPa的壓力下冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，，在通有氮氣作為保護氣 氛的高溫爐中以10。C/min的升溫速率升至1600 。C，保溫0.2小日寸，升溫同時壓 力逐漸加到25MPa，并保持該壓力下進行燒結。X-射線衍射圖譜表明，合成的材 料為高純的Si2N20。阿基米德法測得的密度為2.82 g/cm3，為理論密度的100%。 介電常數和損耗角正切分別為6.23和0.0008 (lMHz)?？箯潖姸葹?97MPa，斷 裂韌性為2.8MPaTti"2，彈性模量為228GPa，硬度為16.6GPa。合成的材料中Li 的殘留量為0.09wt.%。采用實施例l、實施例2、實施例3，均得到高純Si2N20的塊體材料，并且 力學性能和介電性能接近，材料中元素Li的殘留量很小，可見增加原料中Li2C03 的含量，對合成材料的力學性能和介電性能影響很小，主要由于Li20的蒸氣壓高， 在燒結過程中容易揮發(fā)。
如圖2所示，添加不同含量Li2C03合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的介電常數隨 頻率的變化情況如下在(K20MHz頻率范圍內，材料的介電常數隨頻率的增加 而逐漸減小，并且當Li2C03添加量從1.4 wt /。增加到3.5 wt.%，材料介電常數變 化很小，主要由于合成過程中，鋰元素大量揮發(fā)，導致材料內鋰的殘留量很低， 對材料的介電性能影響很小。 '
如圖3所示，添加不同含量Li2C03合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的損耗角正切值 隨頻率的變化情況如下在0~20 MHz頻率范圍內，合成的材料的損耗角正切沒 有因為原料中添加不同含量Li2C03而有明顯的差別。
比較例
本發(fā)明方fe^成的Si2N20和R. Larker等(J. Am. Ceram. Soc.(美國陶瓷學會會 干lj) 75 [1] (1992) 62)合成的Si2N20，力學性能相近，但燒結溫度降低了 250—400°C， 并且燒結時間也大大縮短。
由實施例l、實施例2、實施例3禾口比較例可見，采用本發(fā)明方法可以在較低 溫度、短時間內合成高純度、抗氧化、室溫強度和高溫強度高、介電常數低和介 電損耗小的致密硅氮氧陶瓷±央體。
權利要求
1、一種耐高溫、抗氧化硅氮氧陶瓷的低溫制備方法，其特征在于以Si3N4粉和SiO2粉為原料，Li2CO3粉為燒結助劑，合成單相的Si2N2O，Si3N4和SiO2的摩爾比為Si3N4:SiO2＝1∶0.8-1.3，Li2CO3的添加量為1-5wt.％；原料經過10-30小時研磨后，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10-20MPa；然后，在通有氮氣的熱壓爐內燒結，升溫速率為10-50℃/分鐘，燒結溫度為1200-1600℃、燒結時間為0.1-1小時。
2、 按照權利要求1戶誠的硅氮氧陶瓷的低溫制備方法，其特征在于燒結 溫度優(yōu)選范圍為140(M600°C。
3、 按照權利要求1所述的硅氮氧陶瓷的低溫制備方法，其f寺征在于所述 燒結方式為熱壓燒結，燒結壓強為l(K30MPa。
4、 按照權禾腰求1戶脫的硅氮氧陶瓷的低溫制備方法，其特征在于戶艦 研磨方式為酒精介質中球磨。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐高溫、抗氧化介電陶瓷的制備技術，特別提供了一種耐高溫、抗氧化硅氮氧陶瓷的低溫制備方法，解決現有技術中制備硅氮氧陶瓷材料時，存在的溫度相對較高、反應時間長等問題。采用一定化學計量比的氮化硅和二氧化硅為原料，以碳酸鋰為燒結助劑，原料經過研磨10-30小時，裝入石墨模具中冷壓成型，在通有氮氣作為保護氣氛的熱壓爐中燒結，燒結溫度為1400-1600℃、燒結時間為0.1-1小時。本發(fā)明可以在較低溫度、短時間內合成高純度、抗氧化、室溫強度和高溫強度高、介電常數低和介電損耗小的致密硅氮氧陶瓷塊體。采用本發(fā)明方法獲得的硅氮氧陶瓷，可作為抗氧化高溫結構材料和功能材料，具有潛在的應用價值。
文檔編號C04B35/622GK101423396SQ20071015790
公開日2009年5月6日 申請日期2007年11月2日 優(yōu)先權日2007年11月2日
發(fā)明者周延春, 童慶豐, 陳繼新 申請人:中國科學院金屬研究所