專利名稱：主晶相為Y₂Si₂O₇的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃及制備方法。
背景技術(shù)：
Al-Si-O-N基陶瓷復(fù)合材料是一種重要的結(jié)構(gòu)和功能材料，其應(yīng)用受到限制的主要原因是容易發(fā)生脆性斷裂。在Al-Si-O-N基陶瓷中引入連續(xù)纖維可使其強(qiáng)度和韌性大大提高，力-位移曲線形狀發(fā)生改變，斷裂行為類似于金屬材料。因此，纖維增強(qiáng)增韌N-O-Al-Si基陶瓷復(fù)合材料是材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。然而，目前所用纖維主要 是碳纖維(Cf)和碳化硅纖維(SiCf),其在高溫下的氧化特性及在材料內(nèi)部誘發(fā)出的微裂紋(源于纖維與基體間的熱失配)兩大問題使材料的使用可靠性和壽命大大降低。因此，Al-Si-O-N基陶瓷復(fù)合材料的抗高溫氧化性和壽命是其應(yīng)用受限的主要問題。在研究氮化硅陶瓷時，Y2O3常用作燒結(jié)助劑，促進(jìn)氮化硅陶瓷的燒結(jié)。Y2O3在促進(jìn)陶瓷燒結(jié)的同時，在陶瓷的晶界處往往生成Y-Al-Si-O-N體系的氧氮玻璃。將燒結(jié)好的氮化硅陶瓷在經(jīng)過一個后燒結(jié)的熱處理過程，使得晶界處的氧氮玻璃部分或全部轉(zhuǎn)變成耐高溫的晶相，能大大提高氮化硅陶瓷的高溫性能。后來，學(xué)者們將氧氮玻璃及其微晶玻璃作為一種新的無機(jī)非金屬材料，單獨(dú)進(jìn)行研究。和普通氧化物玻璃一樣，氧氮玻璃也可以通過在合適的溫度熱處理晶化后形成微晶玻璃。一般而言，氮的引入增加了氧氮玻璃的穩(wěn)定性。晶相的形成同時取決于基礎(chǔ)玻璃的成分和熱處理工藝，在多數(shù)情況下，氧化物相比含氮相首先離開基礎(chǔ)玻璃形成。氧氮微晶玻璃具有諸多優(yōu)于普通氧化物微晶玻璃的性能，但氧氮玻璃由于具有良好的熱穩(wěn)定性，通常難以被晶化。氧氮玻璃相對于與其陽離子成分相同的氧化物玻璃而言，由于氮化硅中Si-N鍵較大的鍵強(qiáng)，要使玻璃原料熔融并得到均勻的玻璃熔體，通常需要更高的溫度(一般為1700-1800攝氏度)。Y-Si-Al-O-N體系玻璃的熔制一般需要1700°C以上的高溫，超過1700°C時氮化硅極容易被氧化和分解。要避免玻璃混合料中的原料被氧化，必須控制玻璃整個熔制過程中的氧分壓處于一個非常低的水平。如果氮化硅部分或全部被氧化，則可能導(dǎo)致玻璃中不含氮或者氮含量極低，制備出的玻璃中便不含氮元素。氮化硅分解會導(dǎo)致玻璃中沉淀出Si顆粒，使玻璃呈現(xiàn)出灰色或灰黑色從而使玻璃不透明，同時也會對玻璃的性能造成不良影響。因此要制備均勻的Y-Si-Al-O-N體系玻璃，需要降低玻璃的熔制溫度。Y-Si-Al-O-N體系玻璃的析晶比較復(fù)雜，析晶的溫度也比較高，氮含量越高，玻璃越穩(wěn)定，晶相越難從基礎(chǔ)玻璃中析出。從文獻(xiàn)可知，鋁硅酸鹽玻璃中加入氟傾向于使玻璃發(fā)生分相，通過降低粘度促進(jìn)玻璃整體析晶，得到可控制的顯微結(jié)構(gòu)和更好的機(jī)械性能的微晶玻璃
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種組分配比合理、制備的基礎(chǔ)玻璃的熔化溫度、轉(zhuǎn)變溫度和析晶溫度較低，有效提高微晶玻璃中晶相含量的主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃及制備方法。本發(fā)明所采用的具體的技術(shù)方案如下本發(fā)明涉一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃，是將Y-Al-Si-O-N-F氧氮基礎(chǔ)玻璃在保護(hù)氣氛下，經(jīng)核化、晶化處理后得到；所述氧氮基礎(chǔ)玻璃包括下述元素按原子百分比組成Y :10. 0 11. Oat. %， Si :18. 0 21. Oat. %，Al :6. 0 7. Oat. %，0 :50. 0 61. Oat. %,N :2. 0 8. Oat. %，F(xiàn) :1. 0 4. Oat. %。本發(fā)明一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃制備方法，包括下述步驟第一步氧氮基礎(chǔ)玻璃制備按設(shè)計的基礎(chǔ)玻璃組分配比取各組分混合；其中Si、Al、Y以氧化物的形式加A ;N、F分別以Si3N4、AlF3 3H20的形式加入，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下加熱至熔化溫度1550 15800C，保溫I. 5 2小時，隨爐冷至850 900°C，保溫I. 5 2. 5小時退火后；隨爐冷至室溫，制得氧氮基礎(chǔ)玻璃；第二步微晶玻璃的制備將所得氧氮基礎(chǔ)玻璃在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下加熱到高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度40 60°C進(jìn)行核化，然后，繼續(xù)升溫至析晶溫度±10°c進(jìn)行晶化；在保護(hù)氣氛下，經(jīng)8 10小時均勻冷卻至150 250°C時，關(guān)閉保護(hù)氣體，然后，隨爐冷卻至室溫，即制備出主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F 微晶玻璃。本發(fā)明一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃制備方法，基礎(chǔ)玻璃組分分別過200目篩后混合。本發(fā)明一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃制備方法，加熱至熔化溫度的升溫速率為5 10°C /分鐘。本發(fā)明一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃制備方法，氧氮基礎(chǔ)玻璃制備以及微晶玻璃的制備工序的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛的壓力為0. 08 0. 20MPa。本發(fā)明一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃制備方法，基礎(chǔ)玻璃組分混合后以及基礎(chǔ)玻璃均置于坩堝中加熱，坩堝上部蓋上石墨蓋密封。本發(fā)明一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃制備方法，微晶玻璃的制備工序，以5 10°C /min的速率加熱到高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度40 60°C進(jìn)行核化，核化時間4 6小時；然后，再以5 10°C /min的速率加熱到析晶溫度±10°C晶化9 11小時。本發(fā)明通過在Y-Si-Al-O-N體系玻璃中引入氟元素，取代橋氧(BO)陰離子，使得氧氮玻璃能在較低的溫度下析晶，并設(shè)計了合適的陽離子比，既降低基礎(chǔ)玻璃的熔化溫度，同時也降低了玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和析晶溫度，使得基礎(chǔ)氧氮玻璃更容易析晶，所制備的氧氮微晶玻璃中晶相含量有所提高?？朔搜醯Ａв捎诰哂辛己玫臒岱€(wěn)定性，通常難于析晶和析晶溫度過高的，難以被晶化的技術(shù)障礙。本發(fā)明由于采用上述組分配比及熱處理工藝，使基礎(chǔ)玻璃的熔制溫度由1700°C以上降低至1550-1580°C，制備微晶玻璃的核化溫度和晶化溫度也有所降低。采用本發(fā)明所述的熱處理方法獲得的微晶玻璃中主晶相為Y2Si2O7, Y2Si2O7晶相具有低的楊氏模量，低的熱膨脹系數(shù)，低的熱導(dǎo)率、優(yōu)良的抗熱腐蝕性能和抗摩擦磨損性能，同時，Y2Si2O7還具有良好的可機(jī)械加工性能，能夠加工成復(fù)雜形狀的工件，可用于熱障涂層材料，高溫結(jié)構(gòu)材料，抗磨損材料等。次晶相為莫來石(氮-莫來石)或者Si12Al18O39N8，進(jìn)一步提高了微晶玻璃的顯微硬度，再加上殘余玻璃相含有一定含量的氮，使得微晶玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性，抗腐蝕性，機(jī)械性能都大大優(yōu)于普通的微晶玻璃，可作為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明所述的氧氮微晶玻璃材料的制備方法簡單，熔化溫度、轉(zhuǎn)變溫度和析晶溫度較低，對環(huán)境友好，生產(chǎn)成本較低，該材料可應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)或渦輪葉片等耐高溫部件，應(yīng)用前景廣闊。


附圖I為本發(fā)明實施例1、3、4制備的基礎(chǔ)氧氮玻璃的DSC曲線圖；附圖2為本發(fā)明實施例2、3所制備的微晶玻璃的XRD圖；附圖3為本發(fā)明實施例4、5所制備的微晶玻璃的XRD圖；附圖4為本發(fā)明實施例I所制備的微晶玻璃放大5000倍的SEM圖譜；附圖5為本發(fā)明實施例3所制備的微晶玻璃放大5000倍的SEM圖譜；附圖6為本發(fā)明實施例4所制備的微晶玻璃放大5000倍的SEM圖譜；附圖7為本發(fā)明實施例5所制備的微晶玻璃放大5000倍的SEM圖譜。從附圖I可以看出實施例1、3、4制備的基礎(chǔ)氧氮玻璃的轉(zhuǎn)變溫度分別為883°C、897°C、894°C ;析晶峰溫度分別為1207°C、1155°C、1228°C ；從附圖2、3可以看出實施例2、3所制備的微晶玻璃的析出晶相為Y2Si2O7與莫來石；實施例4、5所制備的微晶玻璃的析出晶相為Y2Si2O7與Sialon X ；從附圖4、5、6、7可以看出實施例1、3所制備的微晶玻璃機(jī)體中包含由片狀(淺色)的Y2Si2O7晶體與條狀(深色)的莫來石晶體；實施例4、5所制備的微晶玻璃機(jī)體中包含由層片狀(淺色)的Y2Si2O7晶體與棒狀(深色)的Sialon X晶體。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實施例I :本發(fā)明涉及的制備主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃，其基礎(chǔ)玻璃中各組成元素的原子百分比范圍為Y 10. 3at. %，Si 19. 6at. %，Al :6. 4 at. %，0 59. 8 at. %，N 2. 6 at. %，F(xiàn) :1. 3 at. %。實施例2 :制備本發(fā)明涉及的主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃，其基礎(chǔ)玻璃中各組成元素的原子百分比范圍為Y 10. 2at. %，Si 19. 4at. %，Al :6. 3 at. %，0 57. 8 at. %，N 2. 5 at. %，F(xiàn) :3. 8 at. %。實施例3 :制備本發(fā)明涉及的主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃，其基礎(chǔ)玻璃中各組成元素的原子百分比范圍為Y 10. 4at. %，Si 19. 9at. %，Al :6. 5 at. %，O 56. 7 at. %，N :5. 2 at. %，F(xiàn) :1. 3 at. %。實施例4 :制備本發(fā)明涉及的主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃，其基礎(chǔ)玻璃中各組成元素的原子百分比范圍為Y :10. 6 at.%，Si 20. I at. %，Al :6. 6at. %, 0 53. 5 a t. %，N :7. 9 at. %，F(xiàn) :1. 3 at. %。實施例5 :制備本發(fā)明涉及的主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃，其基礎(chǔ)玻璃中各組成元素的原子百分比范圍為Y :10. 4 at.%，Si :19.9 at. %，Al :6. 5at. %, 0 51. 5 at. %，N :7. 8 at. %，F(xiàn) :3. 9 at. %。實施例1、2、3、4和5玻璃的化學(xué)組成不同，但玻璃的熔制工藝相近，從氧氮基礎(chǔ)玻璃到微晶玻璃的具體過程為第一步氧氮基礎(chǔ)玻璃制備按設(shè)計的基礎(chǔ)玻璃組分配比取各組分，過200目篩后混合，置于坩堝中，坩堝上部蓋上石墨蓋密封；其中Si、Al、Y以氧化物的形式加入；N、F分別以Si3N4、AlF3 3H20的形式加入，在0. IMPa氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下以5 10°C /分鐘的升溫速度加熱至熔化溫度155(Tl580°C，保溫I. 5 2小時，隨爐冷至85(T900°C，保溫I. 5 2. 5小時退火后；隨爐冷至室溫，制得氧氮基礎(chǔ)玻璃；第二步微晶玻璃的制備將所得氧氮基礎(chǔ)玻璃置于坩堝中，坩堝上部蓋上石墨蓋密封，在0. 08 0. 20MPa氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以5 10°C /min的速率加熱到高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度40-60°C進(jìn)行核化，核化時間4飛小時；然后，再以5 10°C /min的速率加熱到析晶溫度±10°C晶化9 11小時，經(jīng)8 10小時均勻冷卻至150-250°C時，關(guān)閉保護(hù)氣體，然后，隨爐冷卻至室溫，即制備出主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F微晶玻璃。具體實施過程中實施例1、2的熔化溫度為1560°C，保溫2小時；實施例3、4、5的熔化溫度為1580°C，保溫I. 5小時。實施例I的核化溫度是930°C，晶化溫度是1210°C ； 實施例2的核化溫度是950°C，晶化溫度是1160°C ；實施例3的核化溫度是940°C，晶化溫度是1230°C ；實施例4的核化溫度是940°C，晶化溫度是1250°C ；實施例5的核化溫度是980°C，晶化溫度是1170°C。本發(fā)明實施例1-5制備的產(chǎn)物的性能參數(shù)指標(biāo)及處理工藝參數(shù)見表I。表I
權(quán)利要求
1.一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃，是將Y-Al-Si-O-N-F氧氮基礎(chǔ)玻璃在保護(hù)氣氛下，經(jīng)核化、晶化處理后得到；所述氧氮基礎(chǔ)玻璃包括下述元素按原子百分比組成Y 10. O 11. Oat. %，Si :18. O 21. Oat. %， Al :6. O 7. Oat. %，O :50. O 61. Oat. %， N :2. O 8. Oat. %， F : I. O 4. Oat. %。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃的制備方法，包括下述步驟 第一步氧氮基礎(chǔ)玻璃制備 按設(shè)計的基礎(chǔ)玻璃組分配比取各組分混合；其中Si、Al、Y以氧化物的形式加入；N、F分別以Si3N4、AlF3 · 3H20的形式加入，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下加熱至熔化溫度155(Tl580°C，保溫I. 5^2小時，隨爐冷至85(T900°C，保溫I. 5 2. 5小時退火后；隨爐冷至室溫，制得氧氮基礎(chǔ)玻璃； 第二步微晶玻璃的制備 將所得氧氮基礎(chǔ)玻璃在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下加熱到高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度40 60°C進(jìn)行核化，然后，繼續(xù)升溫至析晶溫度±10°C進(jìn)行晶化；在保護(hù)氣氛下，經(jīng)8 10小時均勻冷卻至150 250°C時，關(guān)閉保護(hù)氣體，然后，隨爐冷卻至室溫，即制備出主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F 微晶玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃的制備方法，其特征在于基礎(chǔ)玻璃組分分別過200目篩后混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃的制備方法，其特征在于加熱至熔化溫度的升溫速率為5 10°C /分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃的制備方法，其特征在于氧氮基礎(chǔ)玻璃制備以及微晶玻璃的制備工序的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛的壓力為 O. 08 O. 20MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃的制備方法，其特征在于基礎(chǔ)玻璃組分混合后以及基礎(chǔ)玻璃均置于坩堝中加熱，坩堝上部蓋上石墨蓋密封。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Al-Si-O-N-F氧氮微晶玻璃的制備方法，其特征在于微晶玻璃的制備工序，以5 10°C /min的速率加熱到高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度40 60°C進(jìn)行核化，核化時間4 6小時；然后，再以5 10°C /min的速率加熱到析晶溫度±10°C晶化9 11小時。
全文摘要
一種主晶相為Y2Si2O7的Y-Si-Al-O-N-F氧氮微晶玻璃及制備方法，其基礎(chǔ)玻璃中各組成元素為Y，Si，Al,O，N，F(xiàn)。其制備方法是取原料混合球磨、過200目篩后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于1550～1580℃熔化，然后在850～900℃退火，得到氧氮基礎(chǔ)玻璃。根據(jù)氧氮基礎(chǔ)玻璃的差熱分析測試結(jié)果，將氧氮基礎(chǔ)玻璃在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加熱至高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度40～60℃進(jìn)行核化，然后，繼續(xù)加熱到析晶溫度±10℃晶化，即制備出主晶相為Y2Si2O7的Y-Si-Al-O-N-F氧氮微晶玻璃。本發(fā)明所述的氧氮微晶玻璃材料的制備方法簡單，熔化溫度、轉(zhuǎn)變溫度和析晶溫度較低，對環(huán)境友好，生產(chǎn)成本較低，該材料可應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)或渦輪葉片等耐高溫部件，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號C03C10/16GK102849954SQ20121036239
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者盧安賢, 羅志偉, 瞿高, 雷文魁, 羅輝林 申請人:中南大學(xué)