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一種釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料及其制備方法

文檔序號:1967138閱讀:189來源:國知局
專利名稱:一種釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料及其制備方法
技術領域
本發(fā)明涉及陶瓷基復合材料領域,具體為一種釔硅氧氮-氮化硼(Y4Si2O7N2-BN)陶瓷基復合材料及其制備方法。
背景技術
Y4Si2O7N2是一種新型的四元低熱導率陶瓷材料。它在熱學性能方面具有諸多優(yōu)點,它具有較低的熱導率(室溫熱導率1.8-2. OW ^nT1 'IT1,1000°C高溫熱導率
1.4-1. 6ff.ni-1 -Γ1)、較低的熱膨脹系數(shù)G-6X 10- -1),良好的耐高溫、抗氧化性能,較低的密度(4. 83g/cm3)和模量(楊氏模量185GPa),中等強度(彎曲強度157士7MPa),較高的硬度(維氏硬度10. 3士0. 3GPa)等,在航空、航天、鋼鐵工業(yè)等高新技術領域都有廣泛的潛在應用前景。盡管Y4Si2O7R具有優(yōu)異的熱學性能,但其較差的可加工性、抗熱震性,以及本征脆性等大大限制了它的應用。為了改善上述不利性能,本發(fā)明開發(fā)了 Y4Si2O7N2-BN復合材料,關于Y4Si2O7N2-BN復合材料及其制備方面的研究國內(nèi)外尚屬空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種可加工、力學性能好的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料及其制備方法。本發(fā)明的技術方案是一種釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料,由釔硅氧氮和氮化硼兩相組成,按體積百分比計,復合材料中氮化硼的含量為5 95% (優(yōu)選為10 30% ),余量為釔硅氧氮。所述的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料,釔硅氧氮相與氮化硼兩相分布均勻, 如圖3所示。所述釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料的制備方法,包括如下步驟1)原料粉組成及成分范圍以Y4Si2O7N2粉和h-BN粉為原料,Y4Si2O7N2和h-ΒΝ粉的摩爾比為(0. 55
2.47) 1 ;2)制備工藝 原料經(jīng)過球磨1 M小時(優(yōu)選為8 16小時),裝入石墨模具中,以10 15MPa 的壓力冷壓1 5分鐘成餅狀,在通有氮氣作為保護氣氛的熱壓爐中以5 40°C /min的升溫速率升至1800°C 2100°C熱壓1 3小時,熱壓壓力為20 40MPa。利用上述工藝最終得到不含雜質(zhì)的由Y4Si2O7N2和h-BN兩相組成的復合材料。本發(fā)明中,Y4Si2O7N2粉的粒度為100 300目,h-BN粉的粒度為100 300目。本發(fā)明中,球磨可以為氮化硅球加入乙醇進行常規(guī)的濕磨。本發(fā)明的優(yōu)點是1.本發(fā)明使用的原料成分簡單,分別是Y4Si2O7N2粉和h-BN粉。2.工藝簡單,成本低。本發(fā)明通過簡單的一步熱壓方法,在(2100°C以下)及短時間(一般在三個小時內(nèi))獲得無雜質(zhì)致密的Y4Si2O7N2-BN陶瓷基復合材料。3.優(yōu)異的力學性能。本發(fā)明Y4Si2O7N2-BN陶瓷基復合材料致密度較高,彎曲強度、 斷裂韌性等力學性能明顯優(yōu)于Y4Si2OA2單相材料,并且具有良好的可加工性、抗熱震性等。


圖1 為所制備 Y4Si207N2_30vol圖2 為所制備 Y4Si207N2_20vol圖3 為所制備 Y4Si207N2_40vol
具體實施例方式
下面通過實例詳述本發(fā)明。實施例1將Y4Si2O7N2 粉(300 目,純度99wt. % )57.68g,BN 粉(100 目,純度 99wt. % ) 11. 62g倒入氮化硅球磨罐中,使用氮化硅球加入乙醇濕磨12小時,之后在50°C烘干48小時。烘干后的粉末倒入直徑為50mm的內(nèi)壁涂有BN的石墨模具中冷壓。以12MPa 的壓力冷壓3分鐘之后,將模具裝入熱壓爐中,在流動氮氣保護下,以5°C /min的升溫速率升溫至2100°C,熱壓180min,熱壓壓力為30MPa。獲得的塊體材料經(jīng)X射線衍射分析為 ^Si2O凡和BN兩相,二者體積比為70 30,基本無其它雜質(zhì),如圖1所示。測定的密度為
3.94g/cm3,致密度為97. 06 %。三點彎曲強度為279 士 14MPa,維氏硬度4. 7 士 0. IGPa,普通刀具即可加工。實施例2將Y4Si2O7N2 粉(300 目,純度99wt. % )77. 62g, h_BN 粉(100 目,純度 99wt. % )9. 12g倒入氮化硅球磨罐中,使用氮化硅球加入乙醇濕磨M小時,之后50°C烘干 48小時。烘干后的粉末倒入直徑為50mm的內(nèi)壁涂有BN的石墨模具中冷壓。以15MPa的壓力冷壓3分鐘之后,將模具裝入石墨發(fā)熱體的熱壓爐中,在流動氮氣保護下,以15°C /min 的升溫速率升溫至1800°C,熱壓60min,熱壓壓力為40MPa。獲得的復合材料經(jīng)X射線衍射分析為Y4Si2O凡和BN兩相,二者體積比為80 20,基本無其它雜質(zhì)。測定的材料密度為
4.09g/cm3,致密度為94. 74%。三點彎曲強度為286 士 12MPa,斷裂韌性2. 04 士 0. 03MPa -m1/2, 斷口形貌如圖2所示。實施例3將Y4Si2O7N2 粉(300 目,純度99wt. % )58. 40g, h_BN 粉(100 目,純度 99wt. % ) 18. 30g倒入氮化硅球磨罐中,使用氮化硅球加入乙醇濕磨6小時,之后50°C烘干 48小時。烘干后的粉末倒入直徑為50mm的內(nèi)壁涂有BN的石墨模具中冷壓。以IOMPa的壓力冷壓4分鐘之后,將模具裝入石墨發(fā)熱體的熱壓爐中,在流動氮氣保護下,以30°C/min 的升溫速率升溫至1900°C,熱壓120min,熱壓壓力為20MPa。獲得的復合材料經(jīng)X射線衍射分析為Y4Si2O7N2和BN兩相,二者體積比為60 40。測定的材料密度為3. 53g/cm3,致密度為92. 86%。三點彎曲強度為220士 12MPa,斷裂韌性1. 83士0. 08MPa · m1/20兩相分布形貌如圖3所示。
.% BN復合材料的XRD圖譜。 .%BN復合材料的斷口形貌。 .% BN復合材料的兩相分布形貌。
權利要求
1.一種釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料,其特征在于該復合材料由釔硅氧氮和氮化硼兩相組成,按體積百分比計,復合材料中氮化硼的含量為5 95%,余量為釔硅氧氮。
2.按照權利要求1所述的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料,其特征在于氮化硼的優(yōu)選含量為10 30%。
3.按照權利要求1所述的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料的制備方法,其特征在于, 包括如下步驟1)原料粉組成以Y4Si2O7N2粉和h-BN粉為原料,Y4Si2O7N2和h-ΒΝ粉的摩爾比為(0. 55 2. 47) 1 ;2)制備工藝原料經(jīng)過球磨1 M小時,裝入石墨模具中,以10 15MPa的壓力冷壓1 5分鐘成餅狀,在通有氮氣作為保護氣氛的熱壓爐中以5 40°C /min的升溫速率升至1800°C 2100°C熱壓1 3小時,熱壓壓力為20 40MPa。
4.按照權利要求3所述的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料的制備方法,其特征在于, Y4Si2O7N2粉的粒度為100 300目,h-BN粉的粒度為100 300目。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷基復合材料領域,具體為一種釔硅氧氮-氮化硼(Y4Si2O7N2-BN)陶瓷基復合材料及其制備方法。該復合材料由釔硅氧氮和氮化硼兩相組成,按體積百分比計,復合材料中氮化硼的含量為5~95%,余量為釔硅氧氮。以Y4Si2O7N2粉和BN粉為原料,料粉經(jīng)過球磨1~24小時,烘干過篩后,裝入石墨模具中,以10~15MPa冷壓,之后在通有氮氣作為保護氣氛的熱壓爐中以5~40℃/min的升溫速率升至1800℃~2100℃,保溫1~3小時,熱壓壓力為20~40MPa。本發(fā)明可以在短時間內(nèi)熱壓燒結出純度高、致密度好、強度高、熱導率低的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復合材料。
文檔編號C04B35/58GK102432298SQ20101029612
公開日2012年5月2日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權日2010年9月29日
發(fā)明者周延春, 孫魯超, 王京陽, 陳琳, 陳繼新 申請人:中國科學院金屬研究所
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