利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝。其技術(shù)方案為：（1）選擇α-Al2O3、Y2O3作為燒結(jié)助劑；（2）配料，按照配料表的比例分別稱取市售的α-Si3N4、α-Al2O3和Y2O3粉，用無水乙醇做分散介質(zhì)，直徑2-3mm的氮化硅球作研磨介質(zhì)，在尼龍罐中球磨混勻，控制混合物料的粒度為D50=0.2μm左右；（3）成型，向上述混好的粉料中添加5wt%-9wt%濃度為3wt%的聚乙烯醇（PVA）溶液作為臨時(shí)結(jié)合劑。按照?qǐng)D1中的裝料順序添加各種編號(hào)對(duì)應(yīng)的物料，用等靜壓機(jī)100MPa下壓制成塊狀，每一層的壓后厚度需控制為2mm左右。（4）燒成。
【專利說明】利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝，屬于新材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅陶瓷具有良好的室溫及高溫機(jī)械性能，強(qiáng)度高，密度小，耐磨蝕，抗熱震能力強(qiáng)，抗化學(xué)腐蝕，低熱膨脹系數(shù)，是結(jié)構(gòu)陶瓷中研究最為廣泛深入的結(jié)構(gòu)材料，亦是陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)及其它高溫結(jié)構(gòu)件、切削工具、耐磨件等的主要候選材料。一直是結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究熱點(diǎn)。但是，因氮化硅陶瓷的脆性缺陷一直未得到徹底的改善，這大大限制了它的實(shí)際應(yīng)用范圍。如何提高氮化硅陶瓷的韌性仍是Si3N4陶瓷研究的焦點(diǎn)。目前從事氮化硅陶瓷研究的學(xué)者為了提高氮化硅陶瓷的韌性，主要是從顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和晶界組成設(shè)計(jì)兩個(gè)方面提出了很多Si3N4陶瓷的增韌方法。比如從顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，有顆粒彌散增韌、晶須或纖維增韌、ZrO2的相變?cè)鲰g及利用柱狀P-Si3N4晶粒的自增韌等；從晶界組成設(shè)計(jì)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出力學(xué)性能優(yōu)異的晶界結(jié)合相等。但這些途徑取得的增韌效果依然有限，近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者從貝殼的層狀結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生較大的韌性得到啟發(fā)，提出了陶瓷的層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合增韌。主要是陶瓷層之間設(shè)計(jì)一層相對(duì)較“軟”的弱界面層，比如石墨、氮化硼等。在這種強(qiáng)-弱界面交替組合的層狀結(jié)構(gòu)中，當(dāng)強(qiáng)界面上的裂紋擴(kuò)展至弱界面層時(shí)，裂紋將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能量被部分吸收，從而產(chǎn)生增韌效果。這種強(qiáng)-弱界面結(jié)在陶瓷的層狀結(jié)構(gòu)增韌機(jī)制中研究的較多，并已成功制備出來多種氧化物與非氧化物層狀復(fù)合陶瓷材料，例如，在氮化硅陶瓷材料方面，已有人制備出了 Si3N4/BN層狀復(fù)合材料，使氮化硅的韌性得到較大提高。但是陶瓷材料的層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合增韌途徑除了上述強(qiáng)-弱界面交替結(jié)合的結(jié)構(gòu)外，理論上還可以設(shè)計(jì)成強(qiáng)-強(qiáng)界面結(jié)合。這種強(qiáng)-強(qiáng)界面層狀結(jié)構(gòu)的增韌機(jī)理是利用各層之間的熱膨脹系數(shù)之間的差異，在界面層上產(chǎn)生壓應(yīng)力效果，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至界面時(shí)，首先要克服壓應(yīng)力，然后再繼續(xù)擴(kuò)展，這些預(yù)先設(shè)計(jì)的壓應(yīng)力就能額外吸收裂紋擴(kuò)展的能量，從而起到增韌效果。利用這種機(jī)制近年國(guó)外有人在制備氧化鋯/氧化鋁復(fù)合材料進(jìn)行了嘗試取得了較為顯著的增韌效果。但在氮化硅材質(zhì)方面國(guó)內(nèi)外均沒有人進(jìn)行這種強(qiáng)-強(qiáng)界面層增韌的研究。因?yàn)橐环矫?，這種基于界面層壓應(yīng)力的設(shè)計(jì)需要調(diào)整好各層界面的熱膨脹系數(shù)，界面兩邊層的熱膨脹系數(shù)差異如果太大則容易造成界面剝離，差異太小則壓應(yīng)力效果不明顯，增韌效果也就不理想。另一方面，還要避免因各層成份梯度過大，造成燒結(jié)溫度差異太大，燒成控制困難。氧化鋯和氧化鋁二者的平均膨脹系數(shù)的差異相對(duì)比較小，詳見表1，在用成份梯度控制各層的平均熱膨脹系數(shù)時(shí)，相對(duì)較容易，由此造成的層間剝離也較容易避免，并且控制各層的燒成溫度一致也相對(duì)容易；
表1各種材料的平均熱膨脹系數(shù)(25°C -700°C)
【權(quán)利要求】
1.一種利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝，其特征在于采用如下步驟:(I)燒結(jié)助劑的選擇，考慮到燒成溫度控制和避免層間剝離的原因，選擇平均熱膨脹系數(shù)相近的a -Al2O3和Y2O3作為燒結(jié)助劑比較合適；用釔穩(wěn)定氧化鋯作燒結(jié)助劑制備強(qiáng)-強(qiáng)界面層狀增韌氮化硅陶瓷時(shí)，因?yàn)闊芍醒趸喌捏w積變化相對(duì)較大，在層間更易產(chǎn)生剝離；(2)配料，將市售的a-Si3N4、a-Al203、Y2O3粉分別按照表2的配比，用無水乙醇做分散介質(zhì)，直徑2-3_的氮化硅球作研磨介質(zhì)，在尼龍罐中球磨，控制物料的粒度為D50=0.2 μ m左右；(3)成型，向上述混好的粉料中添加5wt%_9wt%濃度為3wt%的聚乙烯醇(PVA)溶液作為臨時(shí)結(jié)合劑，按照?qǐng)D1中的裝料順序添加各種編號(hào)對(duì)應(yīng)的物料，用等靜壓機(jī)IOOMPa下壓制成塊狀，每一層的壓后厚度需控制為2mm左右；(4)燒成，壓制好的試樣放入氣壓燒結(jié)爐中氣壓燒結(jié)，制度為:RT-600°C，40min，真空；600°C -1030°C, 40min, N2壓力.0.5MPa ； 1030 °C -1400 °C, 45min, N2 壓力 0.5MPa ； 1400 °C -1400 °C, 30min, N2 壓力 0.5MPa ；1400-1600 °C,60min, N2 壓力 1.5MPa ;1600 °C，30min, N2 壓力 1.5MPa ; 1600 °C-1690 °C，45min, N2 壓力 6MPa ； 1690°C -1690°C, 40min, N2 壓力 6MPa ；1690°C -1750°C, 30min, N2 壓力7MPa ；1750°C -1750°C,60min, N2壓力7MPa，然后自然冷卻，即可得到高強(qiáng)高韌性的層狀氮化硅陶瓷材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝，其特征在于:(2)中表2中的各原料的配料比例，需按照表中的比例控制，這樣的比例保證了各層之間的平均熱膨脹系數(shù)彼此保持一個(gè)合理的梯度，同時(shí)保證各層的燒成溫度不會(huì)波動(dòng)太大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝，其特征在于:(3)中說提及圖1中層狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是形成壓應(yīng)力界面層的關(guān)鍵，且必須是外層的平均熱膨脹系數(shù)較內(nèi)層的小，只有這樣的疊加設(shè)計(jì)才能在保證產(chǎn)生顯著的壓應(yīng)力增韌的效果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝，其特征在于:(4)中各層的壓后厚度控制在2_左右，各層的厚度對(duì)產(chǎn)生壓應(yīng)力增韌的效果有較為顯著的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各層壓后厚度控制在2_左右，燒成后產(chǎn)生的增韌效果比較顯著。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用成份梯度設(shè)計(jì)制備高強(qiáng)高韌性層狀氮化硅陶瓷的工藝，其特征在于:(5)中的確立的燒成制度:為:RT-600°C，40min，真空；600°C -1030°C,.40min, N2 壓力 0.5MPa ； 1030 °C -1400 °C, 45min, N2 壓力 0.5MPa ； 1400 °C -1400 °C, 30min,N2 壓力 0.5MPa ; 1400-1600 °C，60min, N2 壓力 1.5MPa ; 1600 °C，30min, N2 壓力 .1.5MPa ；.1600 °C -1690 °C，45min，N2 壓力 6MPa ； 1690 °C -1690 °C，40min，N2 壓力 6MPa ； 1690 °C -1750。。，.30min，N2壓力7MPa ； 1750°C -1750°C，60min，N2壓力7MPa，然后自然冷卻；這一燒成制度考慮到了對(duì)各層燒成制度的差異的調(diào)整，保證各層均達(dá)到了較為致密的燒結(jié)程度。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK103992100SQ201410252064
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】樂紅志, 楊贊中 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)