專利名稱：一種氮化硅陶瓷的制備方法及由該方法制備的氮化硅陶瓷的制作方法
一種氮化硅陶瓷的制備方法及由該方法制備的氮化硅陶瓷技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種氮化硅陶瓷的制備方法及由該方法制備的氮化硅陶瓷。背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷是一種以a-Si3N4或P-Si3N4為主晶相的特種陶瓷材料，它具有 一系列優(yōu)良的性質(zhì)，如高強(qiáng)度、高韌性、高導(dǎo)熱、抗高溫蠕變性能優(yōu)良、耐磨 性好、良好的自潤滑能力。在用于制造高溫葉片、高溫閥、高溫噴嘴、軸承、 切削工具上有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的制備氮化硅陶瓷材料的方法包括先進(jìn)行干壓、熱壓鑄或等靜壓成 型，再脫脂，最后在160(TC-190(TC進(jìn)行無壓燒結(jié)或加壓燒結(jié)，燒結(jié)氣氛一般為 氮?dú)鈿夥?，以避免在此燒結(jié)溫度范圍內(nèi)氮化硅分解氣化。由于氮化硅陶瓷材料的硬度大，機(jī)加工困難，難以用于制備復(fù)雜零部件， 采用上述傳統(tǒng)方法制備出的零部件因?yàn)槊梯^多，拋光困難導(dǎo)致表面粗糙度高， 難以拓展到精密部件上使用。為滿足復(fù)雜零部件表面粗糙度的要求，通常對(duì)陶瓷表面進(jìn)行處理，處理方 法包括機(jī)械拋光，但是上述處理操作復(fù)雜，并且該處理會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加， 殘次品率也會(huì)升高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)在制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氮化硅陶瓷材料時(shí)存在的上述 問題，提供了一種操作方便，能降低氮化硅陶瓷材料表面粗糙度的方法。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)使用陶瓷注射成型制造氮化硅陶瓷材料可以直接得到較低的表面粗糙度(Ra《lnm，本文公開的表面粗糙度均按照GB/T 13841-1992測(cè)試得 到)，無需另外進(jìn)行表面處理，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)也提高了良品率。本發(fā)明提供了一種氮化硅陶瓷材料的制備方法，該方法包括將氮化硅顆粒、 燒結(jié)添加劑、粘接劑混合得到混合物，將所述混合物注射成型形成坯件，對(duì)所 述坯件進(jìn)行脫脂、燒結(jié)制得所述氮化硅陶瓷材料。以所述氮化硅顆粒和燒結(jié)添加劑總重量為基準(zhǔn)，所述氮化硅顆粒含量為 80-95wt%。所述氮化硅顆?？v橫比指數(shù)為1-2.5，氮化硅顆粒平均粒徑不大于l)am。 所述粘結(jié)劑含有石蠟、高分子聚合物和有機(jī)酸。所述脫脂為溶劑脫脂和/或 熱脫脂。通過本發(fā)明提供的方法制得的氮化硅陶瓷的表面粗糙度Ra《lum，達(dá)到一 般復(fù)雜精密零部件粗磨后表面粗糙度的要求(Ra《lum)。另外，發(fā)明人意外的發(fā)現(xiàn)通過本發(fā)明提供的方法制備的氮化硅陶瓷材料的 密度也增大了。采用傳統(tǒng)方法制得的氮化硅陶瓷材料2(TC時(shí)密度為 2.97-3.14g/cm3，氮化硅(Si3N4) 20。C時(shí)理論密度為3.44 g/cm3，(在制備氮化硅 陶瓷材料的過程中，需要向氮化硅顆粒原料中加入燒結(jié)添加劑，但加入的燒結(jié) 添加劑對(duì)燒結(jié)制得的陶瓷材料的密度影響很小，在本領(lǐng)域中會(huì)將這種影響忽略 不計(jì)。本發(fā)明中氮化硅陶瓷材料的密度均按照GB/T2413-1981測(cè)試得到)。通過本發(fā)明公開的方法制備的氮化硅陶瓷材料與傳統(tǒng)方法制備的氮化硅陶 瓷材料相比，密度顯著增加，表面粗糙度降低，如實(shí)施例1-5制備的氮化硅陶瓷 制品Al-A5的表面粗糙度比CA1-CA2的要低很多，密度也比CA1、 CA2的大， 氮化硅陶瓷制品Al-A5的室溫彎曲強(qiáng)度和高溫彎曲強(qiáng)度都得到了提高。
具體實(shí)施方式本發(fā)明提供了一種氮化硅陶瓷的制備方法，該方法包括將氮化硅顆粒、燒 結(jié)添加劑、粘接劑混合得到混合物，將所述混合物注射成型形成坯件，對(duì)所述坯件進(jìn)行脫脂、燒結(jié)制得所述氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷是一種由a-Si3N4和(3-Si3N4兩相組成的特種材料。其中，a-Si3N4 顆粒近似于球狀，而(3-Si3N4顆粒為針狀。在氮化硅陶瓷材料中，以a-Si3N4為主 相，(3-Si3N4分散于主相中，能起到補(bǔ)強(qiáng)和增硬的作用。但是材料中P-Si3N4含量 過高會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度和硬度都下降。根據(jù)本發(fā)明，所述氮化硅顆粒由a-Si3N4和P-Si3N4兩相組成，其中a-Si3N4與 卩-Si3N4的含量可在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，優(yōu)選情況下以氮化硅顆?？偭繛榛鶞?zhǔn)， a-Si3N4含量為60-98 wt%，更優(yōu)選為80-97 wt。/。。所述氮化硅顆?？赏ㄟ^商購得到， 如摩科新材料科技有限公司生產(chǎn)的Si3N4粉末，a-Si3N4含量為96wt。/。。本發(fā)明人 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)a-Si3N4含量在上述范圍內(nèi)時(shí)，燒結(jié)得到的氮化硅陶瓷材料的 密度更大。所述氮化硅顆?？v橫比指數(shù)為1-2.5，優(yōu)選為l;所述氮化硅顆粒平均粒徑不 大于lpm。該氮化硅顆粒可通過商購得到，如摩科新材料科技有限公司生產(chǎn)的亞 微米級(jí)氮化硅。所述縱橫比含義為本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，即顆粒的最大線 度除以最小線度，球形顆粒的縱橫比是l。表面粗糙度是指材料表面所具有的在 較小間距上的微小峰谷不平度的微觀幾何尺寸特征的綜合評(píng)價(jià)。表面粗糙度通 常用Ra來表示。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)桀w?？v橫比指數(shù)為1 -2.5時(shí)， 燒結(jié)得到的氮化硅陶瓷材料的密度比現(xiàn)有技術(shù)中的密度要大，同時(shí)，制得的氮 化硅陶瓷材料的表面粗糙度得到了進(jìn)一步的提高。氮化硅顆?？v橫比指數(shù)優(yōu)先 為l，當(dāng)?shù)桀w?？v橫比指數(shù)為l時(shí)，即為球形氮化硅顆粒時(shí)，球形氮化硅顆 粒燒結(jié)得到的氮化硅陶瓷材料的密度更接近3.44 g/cr^的理論值，且其表面粗糙 度最低。當(dāng)?shù)桀w?？v橫比指數(shù)大于2.5時(shí)，由于顆粒形態(tài)的影響，制得的氮 化硅陶瓷材料的表面粗糙度增大。所述氮化硅顆粒優(yōu)選為平均粒徑不大于lpm。顆粒平均粒徑越大，越不利于 顆粒材料的致密燒結(jié)，影響得到的氮化硅陶瓷材料的密度。本發(fā)明中采用的燒結(jié)添加劑為本領(lǐng)域公知的燒結(jié)添加劑，可選自氧化鎂、 氧化鋁、稀土氧化物中的一種或幾種，所述稀土氧化物為氧化釔、氧化釓、氧 化鐿中的任意一種。優(yōu)選情況下，燒結(jié)添加劑為氧化鋁與稀土氧化物的混合物，更優(yōu)選為氧化鋁和氧化釔的混合物；以氧化鋁與稀土氧化物的混合物總重量為基準(zhǔn)，氧化鋁含量為20-90wt%。根據(jù)本發(fā)明，以所述氮化硅顆粒和燒結(jié)添加劑總重量為基準(zhǔn)，所述氮化硅顆粒含量為80-95 wt %，優(yōu)選為88-92 wt %。本發(fā)明中公開的粘結(jié)劑含有石蠟、高分子聚合物和有機(jī)酸。 所述石蠟可通過商購得到，如上海市嘉禾貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的56#石蠟；所述高分子聚合物可選用乙烯-醋酸乙烯共聚物、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯 乙烯中的一種或幾種；優(yōu)選為乙烯-醋酸乙烯共聚物和高密度聚乙烯的混合物， 所述乙烯-醋酸乙烯共聚物的重均分子量為2000-20000，醋酸乙烯占乙烯-醋酸乙 烯共聚物的10-25 wt%，所述高密度聚乙烯的密度為0.94-0.98g/cm3;其中，以 乙烯-醋酸乙烯共聚物和高密度聚乙烯的混合物總重量為基準(zhǔn)，乙烯-醋酸乙烯共 聚物含量為20-50wt%。所述高分子聚合物可通過商購得到，如中國石化揚(yáng)子石 油化工股份有限公司生產(chǎn)的高密度聚乙烯2100J;所述有機(jī)酸可選用油酸、硬脂 酸或硬脂酸鹽中的至少一種，優(yōu)選為油酸和/或硬脂酸；所述有機(jī)酸也可以通過 商購得到，如興化市偉業(yè)植物油脂廠生產(chǎn)的油酸。本發(fā)明中，所述粘結(jié)劑的總重量為基準(zhǔn)，石蠟的含量為30-60 wt%，高分子 聚合物的含量為30-60 v/t%，有機(jī)酸的含量為5-15 wt°/。。優(yōu)選為，石蠟的含量 為40-60 wt%，乙烯-醋酸乙烯共聚物的含量為10-30wt%，高密度聚乙烯的含量 為10-30 wt%，有機(jī)酸的含量為8-12wt^。乙烯-醋酸乙烯共聚物和高密度聚乙 烯的含量之間沒有關(guān)系，只要乙烯-醋酸乙烯共聚物和高密度聚乙烯的混合物總 量在上述高分子聚合物含量范圍內(nèi)即可。發(fā)明人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用上述組成的粘結(jié)劑在脫脂過程中更容易去除掉， 燒結(jié)后得到的氮化硅陶瓷材料的表面粗糙度降低，密度得到提高。本發(fā)明中，所述粘結(jié)劑的含量可以在很大的范圍內(nèi)變動(dòng)，優(yōu)選情況下，以氮化硅顆粒與燒結(jié)添加劑的總重量為基準(zhǔn)，所述粘結(jié)劑的含量為15-75wt%,進(jìn) 一步優(yōu)選為20-30wt%。根據(jù)本發(fā)明，所述將氮化硅顆粒、燒結(jié)添加劑與粘結(jié)劑混合均勻的方法沒 有特別的限制，只要能夠使氮化硅顆粒、燒結(jié)添加劑與粘結(jié)劑混合均勻即可， 所述混合的條件包括混合溫度為130-18(TC，混合時(shí)間為l-5h，優(yōu)選情況下，所 述混合溫度為140-165°C，混合時(shí)間為2-4h?？梢允褂酶咚倩旌蠙C(jī)進(jìn)行初混，之 后使用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行密煉。初混所用的高速混合機(jī)沒有特別的限制，可以 使用本領(lǐng)域常規(guī)的各種混合設(shè)備，如張家港市連合機(jī)械廠生產(chǎn)的高速混合機(jī) SHR-200A;密煉所用的雙螺桿擠出機(jī)沒有特別的限制，可以使用本領(lǐng)域常規(guī)的 各種密煉設(shè)備，如張家港市連合機(jī)械廠生產(chǎn)的雙螺桿擠出機(jī)SJSZ45。本發(fā)明中，對(duì)混合后的氮化硅顆粒、燒結(jié)添加劑與粘結(jié)劑混合物進(jìn)行破碎 的方法沒有特別的限制，可以使用本領(lǐng)域常規(guī)的各種造粒設(shè)備，如四川華瑞機(jī) 械制造有限公司生產(chǎn)的造粒機(jī)HRSJL-150。破碎后顆粒的大小沒有特別的限制， 只要能夠符合注射成型設(shè)備的要求即可。根據(jù)本發(fā)明，所述注射成型的方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，例如，將破 碎后的顆粒裝入注射成型機(jī)中，注射到具有坯件結(jié)構(gòu)的模具中，之后在注射成 型條件下注射成型，得到坯件。所述注射成型的條件包括注射成型的溫度為 140-180°C,注射成型的壓力為5-25MPa，注射成型的時(shí)間可以在很大范圍內(nèi)改 變， 一般情況下，單件樣品的注射成型的時(shí)間為2-10s，所述注射成型的設(shè)備沒 有特別的限制，可以使用各種常規(guī)的注射成型的設(shè)備，如張家港倍恩特磁塑科 技有限公司生產(chǎn)的陶瓷注射成型機(jī)。本發(fā)明中，所述脫脂為溶劑脫脂和/或熱脫脂。所述溶劑脫脂的條件包括脫 脂溫度為40-65t:，保溫脫脂時(shí)間為5-20h，優(yōu)選情況下，脫脂溫度為45-55。C， 脫脂時(shí)間為8-20h。所述溶劑脫脂的溶劑為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，可以為汽油、 正庚垸、正己烷、三氯乙烯、二氯甲垸、三氯甲垸和三氯乙烷中的一種或幾種，優(yōu)選情況下，所述溶劑為毒性相對(duì)較小的汽油；所述溶劑可通過商購得到，如 深圳市益群昌化工有限公司生產(chǎn)的二氯甲烷。所述熱脫脂的條件可以為常規(guī)的熱脫脂條件，例如，熱脫脂溫度為 200-卯(TC，熱脫脂的時(shí)間為3-20h，優(yōu)選情況下，所述熱脫脂包括三個(gè)階段，第 一階段熱脫脂是指在10-40min內(nèi)升溫至200-35(TC，并保持該溫度l-5h;第二 階段熱脫脂是指在30-250min內(nèi)升溫至400-550。C，并保持該溫度l-5h;第三階 段熱脫脂是指在10-60min內(nèi)升溫至700-900°C，并保持該溫度0.5-2h。為了防止坯件中的氮化硅在熱脫脂時(shí)氧化，所述熱脫脂在50kPa-150kPa的 中性氣體氣氛或真空環(huán)境下進(jìn)行，其中，所述中性氣體可以是零族元素氣體和 氮?dú)庵械囊环N或幾種；所述真空環(huán)境的壓力為0.2Pa以下。根據(jù)本發(fā)明，在氮?dú)猸h(huán)境下對(duì)脫脂后的坯件進(jìn)行燒結(jié)的方法為本領(lǐng)域技術(shù) 人員所公知，例如，升溫到燒結(jié)溫度1500-1900°C，燒結(jié)時(shí)間0.5-6h，所述氮?dú)?純度大于99.9%、燒結(jié)環(huán)境氣壓為60kPa-200kPa。下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 實(shí)施例1本實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的氮化硅陶瓷材料的制備方法。(1)將IOO重量份含有卯wt^的氮化硅顆粒(摩科新材料科技有限公司 生產(chǎn)的氮化硅顆粒，顆?？v橫比指數(shù)為2，平均粒徑為1.5pm, a-Si3N4含量為 75wt%)、 10 wt^的燒結(jié)添加劑與25重量份的粘結(jié)劑放入高速混合機(jī)(張家港 市連合機(jī)械廠生產(chǎn)的高速混合機(jī)SHR-200A)中混合，所述混合的溫度為160°C, 混合的時(shí)間為lh，隨后將得到的混合物轉(zhuǎn)入雙螺桿擠出機(jī)(張家港市連合機(jī)械 廠生產(chǎn)的雙螺桿擠出機(jī)SJSZ45)中混合，混合的溫度為160°C，混合的時(shí)間為 lh。所述燒結(jié)添加劑為氧化鋁和氧化釓，以所述燒結(jié)添加劑總量為基準(zhǔn)，氧化以所述粘結(jié)劑總量為基準(zhǔn)，所述粘結(jié)劑含有75wtX的石蠟、"wtX的高密 度聚乙烯(密度為0.97g/cm3)。(2) 將在雙螺桿擠出機(jī)中混合后的產(chǎn)物在粉碎機(jī)中破碎，破碎后的顆粒的 平均粒子直徑為2mm。將破碎后的顆粒裝入注射成型機(jī)(張家港倍恩特磁塑科 技有限公司生產(chǎn)的陶瓷注射成型機(jī))中，注射到具有坯件結(jié)構(gòu)的模具中，之后 注射成型，所述注射成型的條件包括注射成型的溫度為165°C，注射成型的壓力 為10MPa，注射成型的時(shí)間為3s，得到壁厚為5mm的坯件。(3) 將得到的坯件放入到正己烷中進(jìn)行溶劑脫脂，所述溶劑脫脂的條件包 括脫脂溫度為5(TC，脫脂時(shí)間為8h，之后將溶劑脫脂后的坯件放入到脫脂爐中， 在125kPa純度為99.9%的氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱脫脂。所述熱脫脂包括三個(gè)階段，第一階段熱脫脂是指在20min內(nèi)升溫至300°C, 并保持該溫度4h;第二階段熱脫脂是指在150min內(nèi)升溫至45(TC，并保持該溫 度5h;第三階段熱脫脂是指在40min內(nèi)升溫至850°C ，并保持該溫度lh。(4) 將脫脂后的坯件放入到燒結(jié)爐(湘潭市高昇粉末冶金設(shè)備有限公司生 產(chǎn)的粉末冶金燒結(jié)爐)中燒結(jié)，爐中的氣氛為純度99.99%的高純氮?dú)?，壓力?持為100kPa，在700min內(nèi)升溫至1650°C，燒結(jié)5h，得到氮化硅陶瓷材料制品 Al。實(shí)施例2本實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的氮化硅陶瓷材料的制備方法。氮化硅陶瓷材料的制備方法同實(shí)施例1，不同的是采用的氮化硅顆?？v橫比指數(shù)為1.51,平均粒徑為lpm。 制得氮化硅陶瓷材料制品A2。實(shí)施例3本實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的氮化硅陶瓷材料的制備方法。(1) 將100重量份含有85wt^的氮化硅顆粒(摩科新材料科技有限公司生 產(chǎn)的氮化硅顆粒，顆?？v橫比指數(shù)為1.5，平均粒徑為lpm， a-Si3N4含量為 85wt%)、 15 wt^的燒結(jié)添加劑與35重量份的粘結(jié)劑放入高速混合機(jī)中混合， 所述混合的溫度為15(TC，混合的時(shí)間為lh，隨后將得到的混合物轉(zhuǎn)入雙螺桿 擠出機(jī)中混合，混合的溫度為150"C，混合的時(shí)間為lh。所述燒結(jié)添加劑為氧化鋁和氧化釔，以所述燒結(jié)添加劑總量為基準(zhǔn)，氧化 鋁含量為30wt%;以所述粘結(jié)劑總量為基準(zhǔn)，所述粘結(jié)劑含有55wtX的石蠟、18^%的乙烯-醋酸乙烯共聚物(重均分子量為10000，醋酸乙烯占乙烯-醋酸乙烯共聚物的18wt %)、 14wt^的高密度聚乙烯(密度為0.97g/cm3)和13wt^的油酸。(2) 將在雙螺桿擠出機(jī)中混合后的產(chǎn)物在粉碎機(jī)中破碎，破碎后的顆粒的 平均粒子直徑為2mm。將破碎后的顆粒裝入注射成型機(jī)中，注射到具有坯件結(jié) 構(gòu)的模具中，之后注射成型，所述注射成型的條件包括注射成型的溫度為180°C， 注射成型的壓力為14MPa，注射成型的時(shí)間為3s，得到壁厚為5mm的坯件。(3) 將得到的坯件放入到正己烷中進(jìn)行溶劑脫脂，所述溶劑脫脂的條件包 括脫脂溫度為5(TC，脫脂時(shí)間為10h，之后將溶劑脫脂后的坯件放入到脫脂爐 中，在125kPa純度為99.9%的氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱脫脂。所述熱脫脂包括三個(gè)階段，第一階段熱脫脂是指在20min內(nèi)升溫至300°C ， 并保持該溫度4h;第二階段熱脫脂是指在150min內(nèi)升溫至45(TC,并保持該溫 度5h;第三階段熱脫脂是指在40min內(nèi)升溫至850。C，并保持該溫度2h。(4) 將脫脂后的坯件放入到燒結(jié)爐中燒結(jié)，爐中的氣氛為純度99.99%的高 純氮?dú)?，壓力保持?00kPa，在800min內(nèi)升溫至1750°C，燒結(jié)3h，得到氮化 硅陶瓷材料制品A3。實(shí)施例4
本實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的氮化硅陶瓷材料的制備方法。
(1) 將100重量份含有93 wt^的氮化硅顆粒(摩科新材料科技有限公司 生產(chǎn)的氮化硅顆粒，顆粒縱橫比指數(shù)為1，平均粒徑為0.8pm， a-Si3N4含量為 95wf/。)、 7wt^的燒結(jié)添加劑與28重量份的粘結(jié)劑放入高速混合機(jī)中混合，所 述混合的溫度為180°C，混合的時(shí)間為2h，隨后將混合后得到的混合物轉(zhuǎn)入雙 螺桿擠出機(jī)中混合，混合的溫度為180。C，混合的時(shí)間為2h。
所述燒結(jié)添加劑為氧化鎂和氧化釔，以所述燒結(jié)添加劑總量為基準(zhǔn)，氧化 鎂含量為40wt%;
以所述粘結(jié)劑總量為基準(zhǔn)，所述粘結(jié)劑含有42wt^的石蠟、22wt^的乙烯-醋酸乙烯共聚物(重均分子量為18000，醋酸乙烯占乙烯-醋酸乙烯共聚物的22 wt %)、 26wt^的高密度聚乙烯(密度為0.97g/cm3)和10wtX的油酸。
(2) 將在雙螺桿擠出機(jī)中混合后的產(chǎn)物在粉碎機(jī)中破碎，破碎后的顆粒的 平均粒子直徑為2mm。將破碎后的顆粒裝入注射成型機(jī)中，注射到具有坯件結(jié) 構(gòu)的模具中，之后注射成型，所述注射成型的條件包括注射成型的溫度為165°C， 注射成型的壓力為lOMPa，注射成型的時(shí)間為3s，得到壁厚為5mm的坯件。
(3) 將得到的坯件放入到正己垸中進(jìn)行溶劑脫脂，所述溶劑脫脂的條件包 括脫脂溫度為5(TC，脫脂時(shí)間為8h，之后將溶劑脫脂后的坯件放入到脫脂爐中， 在125kPa純度為99.9%的氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱脫脂。
所述熱脫脂包括三個(gè)階段，第一階段熱脫脂是指在20min內(nèi)升溫至300°C， 并保持該溫度處；第二階段熱脫脂是指在150min內(nèi)升溫至450。C，并保持該溫 度5h;第三階段熱脫脂是指在40min內(nèi)升溫至850。C，并保持該溫度lh。
(4) 將脫脂后的坯件放入到燒結(jié)爐中燒結(jié)，爐中的氣氛為純度99.99%的高 純氮?dú)猓瑝毫Ρ３譃?00kPa，在1000min內(nèi)升溫至1700。C,燒結(jié)4h，得到氮化 硅陶瓷材料制品A4。實(shí)施例5
本實(shí)施例用于說明本發(fā)明提供的氮化硅陶瓷材料的制備方法。
氮化硅陶瓷材料的制備方法同實(shí)施例3，不同的是采用的氮化硅顆?？v橫比
指數(shù)為1，平均粒徑為lpm。
制得氮化硅陶瓷材料制品A5。
對(duì)比例1
本對(duì)比例用于說明現(xiàn)有技術(shù)中氮化硅陶瓷材料的制備方法
將100重量份含有卯wt^的氮化硅顆粒(摩科新材料科技有限公司生產(chǎn)的 氮化硅顆粒，顆?？v橫比指數(shù)為1.5,平均粒徑為ljmi， a-Si3N4含量為85wt%)、 10 wt^的燒結(jié)添加劑通過球磨混合后，加入少量濃度為5%的聚乙烯醇水溶液作 為成形劑，進(jìn)行干壓成型，成型壓力100MPa,得到胚體。
所述燒結(jié)添加劑為氧化鋁和氧化釔，以所述燒結(jié)添加劑總量為基準(zhǔn)，氧化 鋁含量為50wt%。
將胚體置于石墨碳管爐(湘潭市新大粉末冶金設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的石 墨碳管爐)中，通入純度為99.9%的氮?dú)膺M(jìn)行熱脫脂，脫脂溫度75(TC，脫脂時(shí) 間24h，氣體流量為251/min。將脫脂完后的坯體放入到燒結(jié)爐中燒結(jié)，爐中的 氣氛為純度99.99%的高純氮?dú)?，壓力保持?00kPa，在1600°C，燒結(jié)5h，得 到氮化硅陶瓷材料制品CA1。
對(duì)比例2
本對(duì)比例用于說明現(xiàn)有技術(shù)中氮化硅陶瓷材料的制備方法
方法同對(duì)比例l，不同點(diǎn)在于制作胚體時(shí)采用冷等靜壓的方法，成型壓力 為180旨a。
制得氮化硅陶瓷材料制品CA2。性能測(cè)試
將實(shí)施例1-5得到的氮化硅基材料制品Al-A5，對(duì)比例1-2得到的氮化硅基 材料制品CA1、 CA2，按照下列條件進(jìn)行密度、室溫彎曲強(qiáng)度、高溫彎曲強(qiáng)度 和表面粗糙度測(cè)試。
1、 密度
按照GB/T 2413-1981測(cè)試。
2、 室溫彎曲強(qiáng)度
按照GB/T 6569-2006測(cè)試。
3、 高溫彎曲強(qiáng)度 按照GB/T 14390-1993測(cè)試。
4、 表面粗糙度
按照GB/T 13841-1992測(cè)試。 根據(jù)上述測(cè)試的結(jié)果見表l:
表1
實(shí)施例 編號(hào)審u品編 號(hào)密度 (g/cm3)室溫彎曲強(qiáng)度 (MPa)高溫彎曲強(qiáng)度 (MPa)表面粗糙度Ra (—
實(shí)施例1Al3.125504811.0
實(shí)施例2A23.156205940.9
實(shí)施例3A33.279607301.0
實(shí)施例4A43.3111008630.8
實(shí)施例5A53.3010558100.9
對(duì)比例1CA12.6535321211.2
對(duì)比例2CA23.08212l卯10.1由表1的測(cè)試結(jié)果可以看出采用本發(fā)明公開的方法制備的氮化硅陶瓷制
品Al-A5的表面粗糙度比傳統(tǒng)方法制備的氮化硅陶瓷制品CA1-CA2要低很多。 且采用本發(fā)明公開的粘結(jié)劑燒結(jié)得到的制品A3-A5的密度相比CA1和CA2也 有提高，A3-A5室溫和高溫下的彎曲強(qiáng)度都大幅提升。
對(duì)比A1與A2， A3與A4、 A5的測(cè)試結(jié)果，可以看出，氮化硅顆粒的縱橫 比指數(shù)越接近l、平均粒徑越小，燒結(jié)得到的材料的密度越大，室溫和高溫下的 彎曲強(qiáng)度越大。
上述結(jié)果說明，采用本發(fā)明公開的方法制備的氮化硅陶瓷材料的表面粗糙 度顯著降低，其密度也有提高，尤其在注射成型過程中采用本發(fā)明公開的粘結(jié) 劑時(shí)，制得的材料的密度有顯著提高，使最后得到的陶瓷制品的彎曲強(qiáng)度得到 大幅提高。同時(shí)，氮化硅顆粒的縱橫比指數(shù)越接近l，即氮化硅顆粒越接近球形， 制備的氮化硅陶瓷材料的密度越大，表面粗糙度越低；氮化硅顆粒平均粒徑越 小，制備的氮化硅陶瓷材料的密度越大，表面粗糙度越低。本發(fā)明公開的方法 非常適合于制備對(duì)表面粗糙度要求高的氮化硅陶瓷材料。
權(quán)利要求
1、一種氮化硅陶瓷的制備方法，該方法包括將氮化硅顆粒、燒結(jié)添加劑、粘接劑混合得到混合物，將所述混合物注射成型形成坯件，對(duì)所述坯件進(jìn)行脫脂、燒結(jié)制得所述氮化硅陶瓷。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，以所述氮化硅顆粒和燒結(jié)添加劑總重量為基準(zhǔn)，所述氮化硅顆粒含量為80-95wt%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，以所述氮化硅顆粒與燒結(jié)添加劑的 總重量為基準(zhǔn)，所述粘結(jié)劑的含量為15-75wt%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氮化硅顆?？v橫比指數(shù)為1-2.5， 氮化硅顆粒平均粒徑不大于lpm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述粘結(jié)劑含有石蠟、乙烯-醋酸乙烯 共聚物、高密度聚乙烯和有機(jī)酸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，以所述粘結(jié)劑的總重量為基準(zhǔn)，石 蠟的含量為40-60wt^，乙烯-醋酸乙烯共聚物的含量為10-30wt%，高密度聚乙 烯的含量為10-30 wt%，有機(jī)酸的含量為8-12wt^。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述有機(jī)酸為油酸和/或硬脂酸， 所述乙烯-醋酸乙烯共聚物的重均分子量為'2000-20000，醋酸乙烯占乙烯-醋酸乙 烯共聚物的10-25 wt%。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述混合物的混合條件為130-180°C、混合l-5h;所述注射成型的條件為140-180°C、壓力為5-25MPa、時(shí)間為2-10s。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述脫脂包括溶劑脫脂和/或熱脫脂。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述溶劑脫脂為將所述坯件放入有 機(jī)溶劑中加熱到40-65'C保溫5-20h;所述熱脫脂在50kPa-150kPa的中性氣體氣 氛或真空環(huán)境下，在200-90(TC保溫3-20h。
11、 一種氮化硅陶瓷，其中，該氮化硅陶瓷是通過權(quán)利要求1-10中的任意 一項(xiàng)所述的方法制得。
全文摘要
一種氮化硅陶瓷的制備方法，包括將氮化硅顆粒、燒結(jié)添加劑、粘接劑混合得到混合物，將所述混合物注射成型形成坯件，對(duì)所述坯件進(jìn)行脫脂、燒結(jié)制得所述氮化硅陶瓷。通過上述方法制備的氮化硅陶瓷的表面粗糙度得到了顯著降低，且密度、室溫彎曲強(qiáng)度和高溫彎曲強(qiáng)度都得到了提高，滿足各種對(duì)表面粗糙度要求高的復(fù)雜零部件的要求。
文檔編號(hào)C04B35/584GK101591174SQ200810067548
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
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