專利名稱：一種Si₃N₄-Si₂N₂O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多孔復(fù)相陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
多孔陶瓷是一種新型結(jié)構(gòu)與功能陶瓷材料，具有體積密度小、比表面積大及獨(dú)特的物理表面特性，對(duì)液體和氣體介質(zhì)有選擇性透過(guò)性，具有能量吸收或阻尼特性，并具有陶瓷特有的耐高溫、耐腐蝕、高的化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性，使其在過(guò)濾、凈化分離、化工催化載體、吸聲減震、高級(jí)保溫材料和傳感材料等多方面得到廣泛應(yīng)用。Si3N4陶瓷具有一系列優(yōu)良的性質(zhì)，如高強(qiáng)度、高韌性、抗腐蝕、耐磨、抗熱震性能好、抗高溫蠕變性能優(yōu)良等。相對(duì)于Si3N4陶瓷來(lái)講，Si2N2O陶瓷具備更加優(yōu)異的抗高溫氧化性能特點(diǎn)。從熱力學(xué)角度考慮，Si2N2O是Si-N-O三元體系中唯一穩(wěn)定的化合物，可與Si3N4 共存。Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷在性能上可以結(jié)合Si3N4陶瓷優(yōu)異的力學(xué)性能以及Si2N2O陶瓷優(yōu)異的抗氧化性能。因此，Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷作為應(yīng)用于高溫、惡劣使用條件下的結(jié)構(gòu)部件受到廣泛關(guān)注。Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的傳統(tǒng)制備方法為例如公開號(hào)為CN102229498和CN101531538的中國(guó)發(fā)明專利，都是以Si3N4和SiO2為原料，通過(guò)添加少量MxOy (M = Al, Y, Li等)，高溫條件下MxOy與部分SiO2反應(yīng)生成液相，Si3N4在液相中溶解并與其中的SiO2反應(yīng)生成Si2N2O,材料中的孔隙通過(guò)常見的多孔陶瓷的制備方法引入。Q. F. Tong, et al. (J. Eur.Ceram. Soc.，27(16)，2007，4767-72)，S. Q. Li, et al. (Ceram. Int.，35 (5)，2009，1851-4)，R. K. Paul,et al. (J. Mater. Sci. , 42 (12), 2007,4701-6)等人在文獻(xiàn)中也做了類似的報(bào)道。傳統(tǒng)的以Si3N4為原料制備Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的方法存在以下問(wèn)題需要額外添加SiO2，制備方法復(fù)雜，且最終產(chǎn)物中易殘留Si02。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有制備Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的方法存在的制備方法復(fù)雜，且最終產(chǎn)物中易殘留SiO2的技術(shù)問(wèn)題，從而提供一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法。本發(fā)明的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、稱取 Si3N4、Y203、Al2O3 和(NH4)2HPO4,其中 Si3N4 Y2O3 Al2O3 的質(zhì)量比為(92 95) : 4 : 2，(NH4)2HPO4 占 Si3N4' Y2O3 和 Al2O3 總體積的 10 60vol. %,向 Si3N4'Y2O3和Al2O3中加入(NH4) 2ΗΡ04,采用無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混料5 24h，得到漿料；二、將漿料在溫度為40 80°C流動(dòng)空氣條件下烘干，經(jīng)烘干后的混合粉體過(guò)篩，在20 30MPa的壓力下保壓I 2min進(jìn)行預(yù)成型，得到塊體材料；三、取出塊體材料放入橡膠模具中，抽氣并進(jìn)行封裝，在100 300MPa的壓力下保壓I 2min冷等靜壓成型，得到生坯；四、將成型后的生坯在空氣爐中于500 800°C煅燒I 2h，得到多孔結(jié)構(gòu)生坯；
五、最后將煅燒后的多孔結(jié)構(gòu)生坯在O. I O. 2MPa的N2保護(hù)氣氛下在熱壓燒結(jié)爐中于1500 1800°C進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)I 3h，得到Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷。本發(fā)明制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)利用(NH4)2HPO4的分解，原位形成生坯中的孔隙，經(jīng)燒結(jié)后得以保留，形成Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷中的孔隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制原料中(NH4)2HPO4的尺寸、形狀和加入量，可以調(diào)控Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷的孔隙率以及孔隙的尺寸和形狀；(2)本發(fā)明制備的Si3N4-Si2N2O多孔陶瓷由等軸狀a -Si3N4,長(zhǎng)棒狀β -Si3N4和平板狀Si2N2O三相組成，平均孔徑為5 8 μ m ;(3) (NH4)2HPO4的分解產(chǎn)物為復(fù)相陶瓷中Si2N2O的生成提供0，Si2N2O相的生成量隨原料中(NH4)2HPO4添加量的增大而增大，因而可以通過(guò)控制原料中(NH4)2HPO4的引入量而控制Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷中Si2N2O相的含量； (4)本發(fā)明無(wú)需額外添加SiO2，使Si2N2O相以及材料中孔隙的形成分步進(jìn)行，制備方法簡(jiǎn)單，且最終產(chǎn)物中無(wú)殘留SiO2，適合大規(guī)?；膶?shí)際生產(chǎn)；(5)本發(fā)明制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度132 267MPa，斷裂韌性
I.8 4. 3MPa ·ηι1/2,實(shí)際密度I. 8 2. 7g/cm3,介電常數(shù)4. O 6. 7,可用于航空航天、機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域的熱防護(hù)材料和透波材料。


圖I為所制備的原料中不同(NH4)2HPO4添加量時(shí)的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的XRD圖圖Ia)為試驗(yàn)一所制備的原料中未添加(NH4)2HPO4時(shí)的Si3N4多孔復(fù)相陶瓷XRD圖，圖Ib)為試驗(yàn)二所制備的原料中(NH4) 2即04添加量占Si3N4J2O3和Al2O3總體積的IOvol. %時(shí)的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷XRD圖，圖Ic)為試驗(yàn)三所制備的原料中(NH4) 2ΗΡ04添加量占Si3N4、Y203和Al2O3總體積的20vol. %時(shí)所制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷XRD圖，圖Id)為試驗(yàn)四所制備的原料中(NH4)2HPO4添加量占Si3N4、Y2O3和Al2O3總體積的30vol. %時(shí)的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷XRD圖，圖le)為試驗(yàn)五所制備的原料中(NH4) 2ΗΡ04添加量占Si3N4' Y2O3和Al2O3總體積的40vol. %時(shí)的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷XRD圖，其中，V代表 a -Si3N4,〇代表 Si2N2O, ▼代表 β -Si3N4 ；圖2為實(shí)驗(yàn)三所制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的低倍SEM圖；圖3為實(shí)驗(yàn)三所制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的高倍SEM圖；圖4為實(shí)驗(yàn)三所制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的TEM照片。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式中一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法是按以下步驟進(jìn)行的一、稱取 Si3N4、Y203、Al2O3 和(NH4)2HPO4，其中 Si3N4 Y2O3 Al2O3 的質(zhì)量比為(92 95) : 4 : 2，(NH4)2HPO4 占 Si3N4' Y2O3 和 Al2O3 總體積的 10 60vol. %,向 Si3N4'Y2O3和Al2O3中加入(NH4) 2ΗΡ04,采用無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混料5 24h，得到漿料；二、將漿料在溫度為40 80°C流動(dòng)空氣條件下烘干，經(jīng)烘干后的混合粉體過(guò)篩，在20 30MPa的壓力下保壓I 2min進(jìn)行預(yù)成型，得到塊體材料；
三、取出塊體材料放入橡膠模具中，抽氣并進(jìn)行封裝，在100 300MPa的壓力下保壓I 2min冷等靜壓成型，得到生坯；四、將成型后的生坯在空氣爐中于500 800°C煅燒I 2h，得到多孔結(jié)構(gòu)生坯；五、最后將煅燒后的多孔結(jié)構(gòu)生坯在O. I O. 2MPa的N2保護(hù)氣氛下在熱壓燒結(jié)爐中于1500 1800°C進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)I 3h，得到Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷。本實(shí)施方式制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷具有如下優(yōu)點(diǎn)(I)利用(NH4)2HPO4的分解，原位形成生坯中的孔隙，經(jīng)燒結(jié)后得以保留，形成Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷中的孔隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制原料中(NH4)2HPO4的尺寸、形狀和加入量，可以調(diào)控Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷的孔隙率以及孔隙的尺寸和形狀；
(2)本實(shí)施方式制備的Si3N4-Si2N2O多孔陶瓷由等軸狀a -Si3N4,長(zhǎng)棒狀β -Si3N4和平板狀Si2N2O三相組成，平均孔徑為5 8 μ m ;(3) (NH4)2HPO4的分解產(chǎn)物為復(fù)相陶瓷中Si2N2O的生成提供0，Si2N2O相的生成量隨原料中(NH4)2HPO4添加量的增大而增大，因而可以通過(guò)控制原料中(NH4)2HPO4的引入量而控制Si3N4-Si2N2O復(fù)相陶瓷中Si2N2O相的含量；(4)本實(shí)施方式無(wú)需額外添加SiO2,使Si2N2O相以及材料中孔隙的形成分步進(jìn)行，制備方法簡(jiǎn)單，且最終產(chǎn)物中無(wú)殘留SiO2，適合大規(guī)模化的實(shí)際生產(chǎn)；(5)本實(shí)施方式制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度132 267MPa，斷裂韌性I. 8 4. 3MPa ·πι1/2，實(shí)際密度I. 8 2. 7g/cm3，介電常數(shù)4. O 6. 7，可用于航空航天、機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域的熱防護(hù)材料和透波材料。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中Si3N4粉體為α型，純度為86 98%，平均粒徑為O. 2 O. 8 μ m，其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二之一不同的是步驟一中(NH4)2HPO4粒徑為60 120目。其它與具體實(shí)施方式
一或二之一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟一中混料時(shí)采用的分散介質(zhì)為無(wú)水乙醇，球磨時(shí)間為24h，球料質(zhì)量比(I 1.5) I。其它與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟四中煅燒的升溫速率低于2. 5°C /min。其它與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟四中煅燒的升溫速率為2V /min。其它與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同的是步驟五中燒結(jié)的升溫速率為10 30°C /min。其它與具體實(shí)施方式
一至六之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七之一不同的是步驟五中燒結(jié)的升溫速率為20°C /min。其它與具體實(shí)施方式
一至七之一相同。通過(guò)以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果試驗(yàn)一本試驗(yàn)作為對(duì)比試驗(yàn)，原料中不加入(NH4)2HPO4，制備Si3N4多孔復(fù)相陶瓷，制備方法按以下方法實(shí)現(xiàn)一、稱取94g純度為95%、平均粒徑為O. 6 μ m的Si3N4粉體、4g Y2O3粉體和2gAl203粉體，不加入(NH4)2HPO4，采用無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混料24h，球料質(zhì)量比I. 5 1，得到漿料；二、將漿料在溫度為60°C流動(dòng)空氣條件下烘干，經(jīng)烘干后的混合粉體過(guò)篩，在20MPa的壓力下保壓90s進(jìn)行預(yù)成型，得到塊體材料；三、取出塊體材料放入橡膠模具中，抽氣并進(jìn)行封裝，在200MPa的壓力下保壓Imin冷等靜壓成型，得到生坯；四、將成型后的多孔結(jié)構(gòu)生坯在空氣爐中，于升溫速率2°C/min升溫至500°C煅燒Ih,得到多孔結(jié)構(gòu)生坯；五、最后將煅燒后的生坯在O. IMPa的N2保護(hù)氣氛下在熱壓燒結(jié)爐中，于升溫速率200C /min升溫至1700°C進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)2h，得到Si3N4多孔復(fù)相陶瓷。本試驗(yàn)步驟四中所得到多孔結(jié)構(gòu)生坯的真實(shí)密度為1.78g/cm3。
本試驗(yàn)一所制備的原料中未添加(NH4)2HPO4的Si3N4多孔復(fù)相陶瓷XRD圖如圖Ia)所示，從圖Ia)可以看出Si3N4多孔復(fù)相陶瓷由a-Si3N4和β-Si3N4組成，無(wú)Si2N2O相。燒結(jié)線性收縮率為12. 3 %，真實(shí)密度為2. 67g/cm3,開氣孔率為13. 3 %，抗彎強(qiáng)度為433. 2MPa，斷裂韌性為4. 29MPa · m1/2，在20GHz下的介電常數(shù)為6. 76。試驗(yàn)二 本試驗(yàn)的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法是按以下方法實(shí)現(xiàn)一、稱取94g純度為95%、平均粒徑為O. 6 μ m的Si3N4粉體、4g Y2O3粉體和2gAl203粉體，向其中加入IOg粒徑為100目的(NH4)2HPO4,采用無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混料24h，球料質(zhì)量比I. 5 1，得到漿料；二、將漿料在溫度為60°C流動(dòng)空氣條件下烘干，經(jīng)烘干后的混合粉體過(guò)篩，在20MPa的壓力下保壓90s進(jìn)行預(yù)成型，得到塊體材料；三、取出塊體材料放入橡膠模具中，抽氣并進(jìn)行封裝，在200MPa的壓力下保壓Imin冷等靜壓成型，得到生坯；四、將成型后的多孔結(jié)構(gòu)生坯在空氣爐中，于升溫速率2°C/min升溫至500°C煅燒lh，得到多孔結(jié)構(gòu)生坯；五、最后將煅燒后的生坯在O. IMPa的N2保護(hù)氣氛下在熱壓燒結(jié)爐中，于升溫速率200C /min升溫至1700°C進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)2h，得到Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷。本試驗(yàn)步驟四中所得到多孔結(jié)構(gòu)生坯的真實(shí)密度為1.75g/cm3。本試驗(yàn)二中添加的(NH4) 2ΗΡ04經(jīng)煅燒分解，在生坯中原位形成孔隙，然后(NH4)2HPO4的分解產(chǎn)物在無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中可促進(jìn)Si2N2O相的形成，即通過(guò)添加(NH4) ,04就可使Si2N2O相以及材料中孔隙的形成分步進(jìn)行，無(wú)需額外添加SiO2，制備方法簡(jiǎn)單，且最終產(chǎn)物中無(wú)殘留Si02。本試驗(yàn)二所制備的(NH4)2HPO4添加量占Si3N4、Y2O3和Al2O3總體積IOvol. %的Si3N4_Si2N20多孔復(fù)相陶瓷XRD圖如圖Ib)所示，從圖Ib)可以看出Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷由a -Si3N4, β -Si3N4和Si2N2O三相組成，其中Si2N2O的含量占總摩爾含量的20. 3%;燒結(jié)線性收縮率為11. 6%，真實(shí)密度為2. 51g/cm3，開氣孔率為15. 5 %，抗彎強(qiáng)度為266. 2MPa，斷裂韌性為3. 08MPa · m1/2，在20GHz下的介電常數(shù)為6. 08。試驗(yàn)三本試驗(yàn)的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法是按以下方法實(shí)現(xiàn)
一、稱取94g純度為95%、平均粒徑為O. 6 μ m的Si3N4粉體、4g Y2O3粉體和2gAl203粉體，向其中加入20g粒徑為100目的(NH4)2HPO4,采用無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混料24h，球料質(zhì)量比I. 5 1，得到漿料；二、將漿料在溫度為60°C流動(dòng)空氣條件下烘干，經(jīng)烘干后的混合粉體過(guò)篩，在20MPa的壓力下保壓90s進(jìn)行預(yù)成型，得到塊體材料；三、取出塊體材料放入橡膠模具中，抽氣并進(jìn)行封裝，在200MPa的壓力下保壓Imin冷等靜壓成型，得到生坯；四、將成型后的生坯在空氣爐中，于升溫速率2V /min升溫至500°C煅燒lh，得到多孔結(jié)構(gòu)生坯；五、最后將煅燒后的多孔結(jié)構(gòu)生坯在O. IMPa的N2保護(hù)氣氛下在熱壓燒結(jié)爐中，于 升溫速率20°C /min升溫至1700°C進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)2h，得到Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷。本試驗(yàn)步驟四中所得到多孔結(jié)構(gòu)生坯的真實(shí)密度為1.69g/cm3。本試驗(yàn)三中添加的(NH4) 2ΗΡ04經(jīng)煅燒分解，在生坯中原位形成孔隙，然后(NH4)2HPO4的分解產(chǎn)物在無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中可促進(jìn)Si2N2O相的形成，即通過(guò)添加(NH4) ,04就可使Si2N2O相以及材料中孔隙的形成分步進(jìn)行，無(wú)需額外添加SiO2，制備方法簡(jiǎn)單，且最終產(chǎn)物中無(wú)殘留Si02。本試驗(yàn)三所制備的(NH4)2HPO4添加量占Si3N4、Y2O3和Al2O3總體積20vol. %的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷XRD圖如圖Ic)所示，從圖Ic)可以看出Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷由a -Si3N4, β -Si3N4和Si2N2O三相組成，其中Si2N2O的含量占總摩爾含量的34. 7%;燒結(jié)線性收縮率為10. 3 %，真實(shí)密度為2. 25g/cm3,開氣孔率為20. 7 %，抗彎強(qiáng)度為246. 9MPa，斷裂韌性為2. 72MPa · m1/2，在20GHz下的介電常數(shù)為5. 34。本試驗(yàn)三所制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的低倍SEM圖如圖2所示，從圖2可以看出，Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷中的氣孔在基體中分布比較均勻，孔隙成無(wú)規(guī)則狀，孔隙尺寸約為5 8 μ m。本試驗(yàn)三所制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的高倍SEM圖如圖3所示，從圖3可以看出，Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷中的Si2N2O晶粒呈現(xiàn)非常規(guī)整的平板狀結(jié)構(gòu)，厚度約為
O.7 I μ m0本試驗(yàn)三所制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的TEM照片如圖4所示，從圖4可以看出，Si2N2O晶粒中部存在著對(duì)堆積位錯(cuò)。試驗(yàn)四本試驗(yàn)的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法是按以下方法實(shí)現(xiàn)一、稱取94g純度為95%、平均粒徑為O. 6 μ m的Si3N4粉體、4g Y2O3粉體和2gAl203粉體，向其中加入30g粒徑為100目的(NH4)2HPO4，采用無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混料24h，球料質(zhì)量比I. 5 1，得到漿料；二、將漿料在溫度為60°C流動(dòng)空氣條件下烘干，經(jīng)烘干后的混合粉體過(guò)篩，在20MPa的壓力下保壓90s進(jìn)行預(yù)成型，得到塊體材料；三、取出塊體材料放入橡膠模具中，抽氣并進(jìn)行封裝，在200MPa的壓力下保壓Imin冷等靜壓成型，得到生坯；四、將成型后的生坯在空氣爐中，于升溫速率2V /min升溫至500°C煅燒lh，得到多孔結(jié)構(gòu)生坯；五、最后將煅燒后的多孔結(jié)構(gòu)生坯在O. IMPa的N2保護(hù)氣氛下在熱壓燒結(jié)爐中，于升溫速率20°C /min升溫至1700°C進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)2h，得到Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷。本試驗(yàn)步驟四中所得到多孔結(jié)構(gòu)生坯的真實(shí)密度為I. 65g/cm3。本試驗(yàn)四中添加的(NH4) 2ΗΡ04經(jīng)煅燒分解，在生坯中原位形成孔隙，然后(NH4)2HPO4的分解產(chǎn)物在無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中可促進(jìn)Si2N2O相的形成，即通過(guò)添加(NH4) ,04就可使Si2N2O相以及材料中孔隙的形成分步進(jìn)行，無(wú)需額外添加SiO2，制備方法簡(jiǎn)單，且最終產(chǎn)物中無(wú)殘留Si02。本試驗(yàn)四所制備的(NH4)2HPO4添加量占Si3N4、Y2O3和Al2O3總體積的30vol. %的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷XRD圖如圖Id)所示，從圖Id)可以看出Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷由a -Si3N4, β-Si3N4和Si2N2O三相組成，其中Si2N2O的含量占總摩爾含量的43. 1% ;燒結(jié)線性收縮率為7. 5 %，真實(shí)密度為2. 02g/cm3，開氣孔率為28. 5 %，抗彎強(qiáng)度為175. 8MPa， 斷裂韌性為2. IOMPa · m1/2，在20GHz下的介電常數(shù)為4. 61。試驗(yàn)五本試驗(yàn)的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法是按以下方法實(shí)現(xiàn)一、稱取94g純度為95%、平均粒徑為O. 6 μ m的Si3N4粉體、4g Y2O3粉體和2gAl203粉體，向其中加入40g粒徑為100目的(NH4)2HPO4,采用無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混料24h，球料質(zhì)量比I. 5 1，得到漿料；二、將漿料在溫度為60°C流動(dòng)空氣條件下烘干，經(jīng)烘干后的混合粉體過(guò)篩，在20MPa的壓力下保壓90s進(jìn)行預(yù)成型，得到塊體材料；三、取出塊體材料放入橡膠模具中，抽氣并進(jìn)行封裝，在200MPa的壓力下保壓Imin冷等靜壓成型，得到生坯；四、將成型后的生坯在空氣爐中，于升溫速率2V /min升溫至500°C煅燒lh，得到多孔結(jié)構(gòu)生坯；五、最后將煅燒后的多孔結(jié)構(gòu)生坯在O. IMPa的N2保護(hù)氣氛下在熱壓燒結(jié)爐中，于升溫速率20°C /min升溫至1700°C進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)2h，得到Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷。本試驗(yàn)步驟四中所得到多孔結(jié)構(gòu)生坯的真實(shí)密度為1.62g/cm3。本試驗(yàn)五中添加的(NH4) 2ΗΡ04經(jīng)煅燒分解，在生坯中原位形成孔隙，然后(NH4)2HPO4的分解產(chǎn)物在無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中可促進(jìn)Si2N2O相的形成，即通過(guò)添加(NH4) ,04就可使Si2N2O相以及材料中孔隙的形成分步進(jìn)行，無(wú)需額外添加SiO2，制備方法簡(jiǎn)單，且最終產(chǎn)物中無(wú)殘留Si02。本試驗(yàn)五所制備的(NH4)2HPO4添加量占Si3N4、Y2O3和Al2O3總體積的40vol. %的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷XRD圖如圖Ie)所示，從圖Ie)可以看出Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷由a -Si3N4, P-Si3N4和Si2N2O三相組成，其中Si2N2O的含量占總摩爾含量的57.6% ;燒結(jié)線性收縮率為6. O %，真實(shí)密度為I. 84g/cm3，開氣孔率為34. 2 %，抗彎強(qiáng)度為132. IMPa,斷裂韌性為I. 8IMPa · m1/2，在20GHz下的介電常數(shù)為4. 08。通過(guò)上述試驗(yàn)可知=(NH4)2HPO4的加入與否決定著最終產(chǎn)物中是否有Si2N2O相的產(chǎn)生。原料中無(wú)(NH4)2HPO4加入時(shí)，所制備的材料中無(wú)Si2N2O相的生成，隨著原料中(NH4)2HPO4的加入量增多，反應(yīng)產(chǎn)物中Si2N2O相的含量也在增多，同時(shí)使材料的密度降低，開氣孔率升高。因此通過(guò)調(diào)節(jié)原料中(NH4)2HPO4的添加量，可使所制備的Si3N4-Si2N2O多孔 復(fù)相陶瓷的密度、開氣孔率可控，Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷中Si2N2O相的含量可調(diào)。
權(quán)利要求
1.一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征在于Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法是按以下步驟進(jìn)行 一、稱取Si3N4、Y203、Al2O3 和(NH4)2HPO4,其中 Si3N4 Y2O3 Al2O3 的質(zhì)量比為(92 95) 4 2，(NH4)2HPO4 占 Si3N4' Y2O3 和 Al2O3 總體積的 10 60vol. %,向 Si3N4' Y2O3 和Al2O3中加入(NH4)2HPO4，采用無(wú)水乙醇為分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混料5 24h，得到漿料； 二、將漿料在溫度為40 80°C流動(dòng)空氣條件下烘干，經(jīng)烘干后的混合粉體過(guò)篩，在20 30MPa的壓力下保壓I 2min進(jìn)行預(yù)成型，得到塊體材料； 三、取出塊體材料放入橡膠模具中，抽氣并進(jìn)行封裝，在100 300MPa的壓力下保壓I 2min冷等靜壓成型，得到生坯； 四、將成型后的生坯在空氣爐中于500 800°C煅燒I 2h，得到多孔結(jié)構(gòu)生坯； 五、最后將煅燒后的多孔結(jié)構(gòu)生坯在O.I O. 2MPa的N2保護(hù)氣氛下在熱壓燒結(jié)爐中于1500 1800°C進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)I 3h，得到Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征在于步驟一中Si3N4粉體為α型，純度為86 98%，平均粒徑為O. 2 O. 8 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征在于步驟一中(NH4)2HPO4粒徑為60 120目。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征在于步驟一中混料時(shí)，球磨時(shí)間為24h，球料質(zhì)量比(I I. 5) I。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征在于步驟四中煅燒的升溫速率低于2. 5°C /min。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征在于步驟五中燒結(jié)的升溫速率為10 30°C /min。
全文摘要
一種Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的制備方法，涉及多孔復(fù)相陶瓷的制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有制備Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的方法存在的制備方法復(fù)雜，且最終產(chǎn)物中易殘留SiO2的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明的制備方法如下一、制備原料；二、制備塊體材料；三、制備生坯；四、制備多孔結(jié)構(gòu)生坯；五、制備Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷。本發(fā)明制備的Si3N4-Si2N2O多孔復(fù)相陶瓷的抗彎強(qiáng)度132～267MPa，斷裂韌性1.8～4.3MPa·m1/2，實(shí)際密度1.8～2.7g/cm3，介電常數(shù)4.0～6.7，可作為熱防護(hù)材料和透波材料用于航空航天、機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C04B35/586GK102807389SQ201210315790
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者賈德昌, 王勝金, 楊治華, 段小明, 周玉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)