專利名稱：氮化硅陶瓷、制備它們的硅基組合物以及它們的制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制備Si3N4陶瓷的淤漿狀硅基組合物，它含有水作為分散介質(zhì)。而且，本發(fā)明涉及從上述淤漿狀硅基組合物制備的高強(qiáng)度致密Si3N4陶瓷以及它們的制備工藝。
當(dāng)以硅粉末為起始原料制備陶瓷時(shí)，一直使用乙醇作為分散介質(zhì)以確保硅粉末在混合/成型步驟中有效地分散，如在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.vol.60.pp51-61(1986)中所述。然而從工業(yè)角度看，使用乙醇的工藝必須裝備昂貴的防爆設(shè)施，成為增加生產(chǎn)成本的一個(gè)原因。
另一方面，日本專利公開Nos.261662/1991和212279/1989提出了利用不需防爆設(shè)施的水作為分散介質(zhì)的工藝。這些工藝通過在水中分散Si粉末，添加一種有機(jī)粘結(jié)劑，一種氮化劑等從而形成淤漿，將淤漿脫水、成型并加熱以燒結(jié)成型體而制備Si3N4燒結(jié)體。
然而日本專利公開Nos 261662/1991和212279/1989中所描述的上述工藝中沒有添加為最終燒結(jié)體的致密所需的燒結(jié)助劑。因此例如在日本專利公開No.261662/1991中清楚顯示的那樣所得的Si3N4燒結(jié)體不得不具有分散于其內(nèi)的許多微孔。結(jié)果，預(yù)計(jì)Si3N4燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度很低。實(shí)際上，彎曲強(qiáng)度只能達(dá)到600Mpa或以下的低值。
上述傳統(tǒng)工藝中沒有向水基淤漿添加燒結(jié)助劑的原因在于，與在乙醇中的分散不同，硅粉末和燒結(jié)助劑在水中的分散很差，從而造成最終的樣品內(nèi)具有不均勻的密度。
鑒于至今的上述情況，本發(fā)明的目的是提供用于制備Si3N4陶瓷的淤漿狀硅基組合物，它使用水作為分散介質(zhì)并通過改善粉末在水中的分散從而含有燒結(jié)助劑，本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供從上述硅基組合物制備的低廉的高強(qiáng)度致密Si3N4陶瓷。
為達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的淤漿狀硅基組合物包括表面氧化膜厚度范圍為從1.5到15nm的硅粉末、50到90％重量的水，0.2到7.5％重量的以氧化物表示的燒結(jié)助劑和0.05到3％重量的分散劑。硅基組合物的PH值被調(diào)節(jié)在8-12內(nèi)。
該淤漿狀硅基組合物的制備工藝包括，在空氣中于200到800℃對(duì)硅粉末進(jìn)行氧化處理，向硅粉末添加50到90％重量的水，0.2到7.5％重量的以氧化物表示的燒結(jié)助劑和0.05到3％重量的分散劑，調(diào)節(jié)PH值使最終混合物的PH值為8到12。
進(jìn)而，使用上述淤漿狀硅基組合物不僅能不需安裝防爆設(shè)計(jì)設(shè)施就以較低成本制備Si3N4陶瓷，而且使所得的Si3N4陶瓷致密、均勻和高強(qiáng)。具體地說，能得到相對(duì)密度至少為96％、彎曲強(qiáng)度至少為800MPa的Si3N4陶瓷。


圖1是利用EPMA觀察到的本發(fā)明的Si3N4陶瓷組織的狀態(tài)圖，其中點(diǎn)表示作為燒結(jié)助劑的Y和Sm。
圖2是用EPMA觀察的從未經(jīng)氧化處理的商業(yè)Si粉末的淤漿制備的Si3N4陶瓷組織的狀態(tài)圖，其中點(diǎn)也表示作為燒結(jié)助劑的Y和Sm。
圖3是用EPMA觀察的從利用乙醇的原有技術(shù)的淤漿制備的Si3N4陶瓷組織的狀態(tài)圖，其中點(diǎn)也表示作為燒結(jié)助劑的Y和Sm。
本發(fā)明中，通過處理硅粉末的表面、調(diào)整作為分散介質(zhì)的水的含量，調(diào)節(jié)淤漿的PH值并添加分散劑，優(yōu)選地添加有機(jī)粘結(jié)劑而改善硅粉末和燒結(jié)助劑在水中的分散，從而能進(jìn)行水混合步驟和成型步驟。相應(yīng)地，可以不需要裝防爆設(shè)施就能處理本發(fā)明的淤漿狀硅基組合物，從而能提供廉價(jià)的Si3N4陶瓷。
通過在空氣中于200到800℃對(duì)商業(yè)得到的Si粉末進(jìn)行氧化處理，從而在Si粉末表面形成厚度尺寸為1.5到15nm大小的氧化膜，得到本發(fā)明中所用的Si粉末。雖然商業(yè)Si粉末表面上氧化膜的厚度一般在0.3到1.0nm的范圍，但對(duì)它在空氣中于200到800℃進(jìn)行氧化處理便能調(diào)整氧化膜的厚度以使其范圍為從1.5到15nm。氧化膜的上述厚度值是根據(jù)粉末的氧含量和比表面積的測(cè)量結(jié)果估計(jì)的。
這種氧化處理增強(qiáng)了Si粉末的分散性。雖然還不能說明分散性增強(qiáng)的原因，但據(jù)推測(cè)如下述。商業(yè)上通常得到的硅粉末的表面組成為SiO，具有高含量的低水潤濕性硅。前述氧化處理增加了也是水的一種組分的氧的含量，從而把SiO轉(zhuǎn)化為SiO2。結(jié)果，增強(qiáng)了硅粉末的水潤濕性，從而使每一Si粉末團(tuán)聚體散開成為單獨(dú)的顆粒，結(jié)果增強(qiáng)了硅粉末的分散性。進(jìn)一步地，分散性增強(qiáng)的部分原因是，即使在混合時(shí)由于粉末的互相接觸而部分剝掉表面氧化膜，但由于氧化膜的厚度如此大，因而在硅粉末表面很少暴露出低水潤濕性的硅。
當(dāng)在硅粉末的氧化處理中處理溫度低于200℃時(shí)，就不能進(jìn)行令人滿意的表面氧化處理，從而粉末粒子互相團(tuán)聚造成不能與下一步添加的燒結(jié)助劑均勻混合。因而燒結(jié)后燒結(jié)體的密度分布不良，所得的Si3N4陶瓷無一例外地強(qiáng)度很低。另一方面，當(dāng)在溫度高于800℃下進(jìn)行氧化處理時(shí)，在硅粉末表面形成的SiO2占有很高的比例，從而大量的SiO2在陶瓷的晶界相內(nèi)以雜質(zhì)形式存在。因而所得的Si3N4陶瓷也無一例外地具有低強(qiáng)度。
最好是硅粉末的平均粒徑在從0.1到10μm的范圍內(nèi)。其原因在于當(dāng)粉末的平均粒徑小于0.1μm時(shí)體積密度太高很難處理粉末，另一方面，當(dāng)粉末的平均粒徑超過10μm時(shí)，由于產(chǎn)生了團(tuán)聚和沉淀，很難使粉末形成均勻的淤漿。
雖然本發(fā)明中所用的燒結(jié)助劑可以是在燒結(jié)Si3N4中通常采用的那些燒結(jié)助劑的任一種，但最好使用選自周期表的IIa族元素、IIIa族元素和稀土元素的化合物中的至少一種，更優(yōu)選使用Ca，Sr，Mg，Al，Y，La，Sm，Nd和Yb的化合物的至少一種。確切地說，尤其最優(yōu)選使用選自能以相對(duì)低價(jià)格得到的Ca，Mg，Al，Y，La和Sm的氧化物，氮化物和氧氮化物以及它們的復(fù)合化合物中的至少一種?？梢蕴砑由鲜龌衔锏闹辽僖环N的粉末作為燒結(jié)助劑?；蛘?，可以使用通過加熱在不超過1500℃下能轉(zhuǎn)化為上述氧化物、氮化物和氧氮化物的前驅(qū)體，例如，月桂酸鈣和硬脂酸釔。
添加的燒結(jié)助劑的數(shù)量以氧化物表示為0.2到7.5％基于淤漿組合物的整體的重量(0.5到17％基于硅粉末的重量的氧化物)。當(dāng)燒結(jié)助劑的數(shù)量小于0.2％基于組合物整體的重量時(shí)，就不能達(dá)到燒結(jié)助劑的作用，且所得燒結(jié)體中具有許多氣孔，相對(duì)密度低于96％，結(jié)果只能獲得低的強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)它超過7.5％的重量時(shí)，就在燒結(jié)體內(nèi)不利地增大了低強(qiáng)度的晶界相的比例，從而造成所得Si3N4陶瓷的強(qiáng)度低。
尤其優(yōu)選的分散劑是那些多羧酸銨。所添加的分散劑的數(shù)量為0.05到3％的(0.5到5％基于硅粉末的重量)，優(yōu)選地0.05到2.5％的基于淤漿組合物整體的重量。分散劑的加入改善了粉末的分散，減少了粉末的團(tuán)聚，因此在成型時(shí)成型體內(nèi)的密度分布好。因而，所得的成型體具有高的相對(duì)密度和確保了優(yōu)異的可操作性。當(dāng)分散劑的數(shù)量小于0.05％的重量時(shí)，就不能達(dá)到分散劑的作用。當(dāng)分散劑的數(shù)量超過2.5％的重量時(shí)，雖然成型體沒有密度上的變化，但添加量大于3％的重量不利地造成分散劑以雜質(zhì)形式保留在經(jīng)加熱得到的燒結(jié)體內(nèi)，從而降低了燒結(jié)體的強(qiáng)度。
顯著改善了粉末分散的極均勻的淤漿狀硅基組合物可這樣獲得，即把上述硅粉末、燒結(jié)助劑、分散劑和水混合在一起，調(diào)節(jié)淤漿中水的比例為50到90％的重量，用堿性溶液例如氨水調(diào)整淤漿的PH值到8-12。
當(dāng)在上面的調(diào)整中水的比例低于50％的重量時(shí)，淤漿的粘度增大到硅粉末和燒結(jié)助劑粉末不能互相均勻混合的程度。另一方面，當(dāng)水的比例超過90％的重量時(shí)，在從淤漿制備成型體的步驟中只能得到低密度的成型體，從而惡化了成型體的可操作性。另外，當(dāng)淤漿的PH值小于8或大于12時(shí)將產(chǎn)生粉末團(tuán)聚。
從這樣所得的淤漿狀硅基組合物制備Si3N4陶瓷的工藝包括，通過例如球磨令人滿意地混合淤漿、成型、在氮?dú)鈿夥障录訜岢尚腕w以便燒結(jié)成型體。
當(dāng)事先向淤漿中添加并混和有機(jī)粘結(jié)劑例如丙烯酸類粘結(jié)劑時(shí)，可在壓力去除淤漿的水的同時(shí)進(jìn)行成型。有機(jī)粘結(jié)劑添加的數(shù)量與分散劑的相同，即從0.05到3％的重量，優(yōu)選地，從0.05到2.5％的重量。其理由與分散劑的相同。另一方面，當(dāng)在淤漿中沒有添加有機(jī)粘結(jié)劑時(shí)，利用例如冷凍干燥器或噴霧干燥器干燥淤漿，把有機(jī)粘結(jié)劑噴灑在所得的干燥粉末上，進(jìn)行干壓成型。
把有機(jī)粘結(jié)劑從通過上述工藝得到的成型體中去除掉，加熱所得的成型體從而對(duì)它燒結(jié)，因而得到的Si3N4陶瓷，所得Si3N4陶瓷的EPMA(電子探針顯微分析)觀察表明，如圖1所示其組織中燒結(jié)助劑(圖中的點(diǎn))均勻地分散。
作為參照，圖2表示從未經(jīng)氧化處理的商業(yè)用Si粉末制備的Si3N4陶瓷的組織，圖3是通過使用乙醇的傳統(tǒng)工藝得到的Si3N4陶瓷的組織。通過對(duì)比燒結(jié)助劑的分散發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)助劑在根據(jù)本發(fā)明的圖1中的分散與在根據(jù)使用乙醇的原有技術(shù)的圖3中的分散有相同的均勻度，即在圖2中燒結(jié)助劑顆粒互相團(tuán)聚，顯示了使用商業(yè)用硅粉末所呈現(xiàn)的分散。
如上所述，這樣得到的本發(fā)明的Si3N4陶瓷均勻并致密以便具有至少96％的相對(duì)密度。進(jìn)而。根據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)R-1601進(jìn)行的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)表明Si3N4陶瓷的強(qiáng)度高到至少800MPa。由于通過如在上述日本專利公開No.261662/1991中所述的傳統(tǒng)水混合工藝得到的陶瓷的最高彎曲強(qiáng)度只有大約600MPa，可見該彎曲強(qiáng)度是很高的。
另外，在本發(fā)明的工藝中分散介質(zhì)是水，沒有使用乙醇。因此，本發(fā)明的工藝能使用不需防爆設(shè)施的廉價(jià)生產(chǎn)線，從而提供了高質(zhì)量的廉價(jià)Si3N4陶瓷制品。
實(shí)施例1在表1中標(biāo)明的每個(gè)溫度下；在空氣中對(duì)平均粒徑為2.8μm的商業(yè)Si粉末進(jìn)行氧化處理5小時(shí)。表1中也給出了在每一所得Si粉末樣品的表面上形成的氧化膜的厚度。在每一硅粉中添加水、作為燒結(jié)助劑的Y2O3粉末和Sm2O3粉末以及多羧酸銨分散劑，使它們各自的數(shù)量分別為基于最終淤漿的整體的70％的重量、2％的重量、3％的重量和0.5％的重量。
然后用氨水把以上每一混合物的PH值調(diào)節(jié)到8.5，通過球磨把各混合物混合48小時(shí)，從而制成淤漿。對(duì)于試料2，向淤漿中添加數(shù)量為0.5％重量的丙烯酸類有機(jī)粘結(jié)劑，在壓力去除淤漿的水分的同時(shí)制備成型體。對(duì)于其它試料，在以上述方式得到的每一淤漿通過噴霧干燥器進(jìn)行干燥的同時(shí)噴丙烯酸類有機(jī)粘結(jié)劑以便實(shí)施造粒，得到成型體。
然后，在N2氣氛中對(duì)上述每一成型體于800℃下加熱以便去除有機(jī)粘結(jié)劑，再在N2氣氛中把溫度升到1800℃，在該溫度下連續(xù)加熱4小時(shí)從而得到每一Si3N4燒結(jié)體。對(duì)于每一Si3N4燒結(jié)體內(nèi)存在的燒結(jié)助劑的元素，Y為4.4％的重量，Sm為6.7％的重量。
利用Archimedes法測(cè)量所得的每一Si3N4燒結(jié)體的相對(duì)密度和以如上述相同的方式所得的每一成型體的相對(duì)密度。進(jìn)而，遵照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)R-1601通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)量每一燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度。所得的結(jié)果一并列在表1中。
表1試料 氧化處理 氧化膜厚度相對(duì)密度(％) 彎曲強(qiáng)度(℃×小時(shí)) (nm) 成型體 燒結(jié)體 (MPa)1 200×5 1.5 53 969602 600×5 5.3 56 989603 800×5 14.653 968204*未處理 0.5 50 924305*900×5 15.553 95480(注意)表中星號(hào)的試料是比較例。
從上述結(jié)果明顯看出，對(duì)于本發(fā)明的每一試料，硅粉末在200到800℃的處理能把粉末表面的氧化膜厚度調(diào)整到1.5-15nm，以使成型體和燒結(jié)體均勻且有所希望的相對(duì)密度以及得到彎曲強(qiáng)度至少為800MPa的Si3N4燒結(jié)體。
相反，對(duì)于從未經(jīng)氧化處理的Si粉末制得的試料4；粉末顆?；ハ鄨F(tuán)聚從而不能得到均勻的成型體并且其相對(duì)密度低至50％。雖然燒結(jié)是同樣的條件下進(jìn)行，但所得繞結(jié)體的相對(duì)密度和彎曲強(qiáng)度值都低。進(jìn)而，對(duì)于用經(jīng)900℃氧化處理的硅粉末的試料5來說，在燒結(jié)體的晶界處存在大量起源于氧化膜的氧化物，從而其彎曲強(qiáng)度很差。
實(shí)施例2
以與實(shí)施例1中相同的方式制備Si3N4燒結(jié)體，但淤漿中作為分散介質(zhì)的水的比例被改變成下面表2中標(biāo)明的值。使用的硅粉末與實(shí)施例1中的試料2相同，它是通過把商業(yè)Si粉末在空氣中于600℃下氧化處理5小時(shí)而得到的，其氧化膜的厚度為5.3nm。
所用的燒結(jié)助劑的類型和數(shù)量與在實(shí)施例1中的相同。因而，對(duì)于在所得的每一Si3N4燒結(jié)體中存在的燒結(jié)助劑元素來說，Y為4.4％的重量，Sm為6.7％的重量。進(jìn)而，淤漿的PH值及所用的分散劑也與實(shí)施例1中相同。對(duì)于試料8，向淤漿中加入0.5％重量的有機(jī)粘結(jié)劑，對(duì)于其它試料，有機(jī)粘結(jié)劑被噴灑在干粉末上，進(jìn)行成型。
以與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)量所得的每一Si3N4燒結(jié)體的相對(duì)密度和彎曲強(qiáng)度，并在表2中與用同樣方式測(cè)量的每一成型體的相對(duì)密度一同給出。
表2試料 加水量 相對(duì)密度(％)彎曲強(qiáng)度(wt％)成型體 燒結(jié)體6 5053 968507 8054 979508 9056 989809*4549 8735010*9548 87380(注意)表中帶星號(hào)的試料為比較例。
從上述結(jié)果明顯看出，把淤漿中水的比例調(diào)整到50-90％的重量能使成型體具有所希望的密度，它的燒結(jié)能制備出彎曲強(qiáng)度至少為800Mpa的燒結(jié)體。
實(shí)施例3以與實(shí)施例1中相同的方式制備Si3N4燒結(jié)體，但燒結(jié)助劑的種類和數(shù)量被改變?yōu)橄旅姹?中所標(biāo)明的那樣。使用的硅粉末與實(shí)施例1中的試料2相同，它是通過把商業(yè)Si粉末在空氣中于600℃下氧化處理5小時(shí)而得到的，其氧化膜的厚度為5.3nm。
添加的燒結(jié)助劑的形式為，在試料Nos11-13，18，19和21中為氧化物，在試料14中為氮化物，在試料15和20中為氧氮化物，在試為產(chǎn)16中為月桂酸鹽，在試料17中為硬脂酸鹽。所添加的燒結(jié)助劑的數(shù)量無一例外地以氧化物的形式表示。水的比例，淤漿的PH值和分散劑與實(shí)施例1中相同。對(duì)于試樣16到19，向淤漿中添加0.5％重量的有機(jī)粘結(jié)劑；對(duì)于其它試料，有機(jī)粘結(jié)劑被噴灑在干粉末上，進(jìn)行成型。
以與實(shí)施例1中相同的方式不但測(cè)量所得的每一Si3N4燒結(jié)體的相對(duì)密度和彎曲強(qiáng)度，而且測(cè)量每一成型體的相對(duì)密度及每一燒結(jié)體內(nèi)燒結(jié)助劑元素的含量，其結(jié)果列在表3中。
表3試料 燒結(jié)助劑 燒結(jié)體內(nèi)的燒結(jié)助相對(duì)密度(％)彎曲強(qiáng)度(wt％) 劑元素(wt％) 成型體 燒結(jié)體11 Sm(0.15)Ca(0.1) Sm(0.33)Ca(0.22) 54 96 82012 Sm(0.3)Y(0.2)Sm(0.67)Y(0.44) 54 96 88013 Sm(0.5)La(0.5) Sm(1.1)La(1.1) 53 96 92014 Sm(1.5)Nd(1.5) Sm(3.3)Nd(3.3) 54 97 84015 Sm(2.0)Yb(2.0) Sm(4.4)Yb(4.4) 54 97 108016 Yb(4.0)Al(2.0) Yb(8.9)Al(4.4) 57 98 98017 la(5.0)Sr(2.0) La(11.1)Sr(4.4) 57 98 102018 Sm(5.0)Mg(2.0) Sm(11.1)Mg(4.4) 56 98 125019 Sm(5.0)Mg(2.3) Sm(11.1)Ma(5.8) 55 97 120020*Sm(0.1)Ca(0.05) Sm(0.2)Ca(0.1) 53 92 41021*Sm(5.0)Y(3.0)Sm(11.1)Y(6.7) 54 94 520(注意)表中帶星號(hào)的試料為比較例從上述結(jié)果明顯看出，添加IIa族、IIIa族和/或稀土元素為燒結(jié)助劑，數(shù)量以氧化物來表示在0.2到7.5％的重量，能使所得的Si3N4燒結(jié)體具有至少96％的相對(duì)密度和至少800Mpa的彎曲強(qiáng)度。
實(shí)施例4以與實(shí)施例1中相同的方式制備Si3N4燒結(jié)體，但如下面表4中所標(biāo)明的那樣改變淤漿的PH值。使用的硅粉末與實(shí)施例1中的試料2相同，它是通過把商業(yè)Si粉末在空氣中于600℃下氧化處理5小時(shí)而得到的，其氧化膜的厚度為5.3nm。
所使用的燒結(jié)助劑如實(shí)施例1中包含有2％重量的Y2O3和3％重量的Sm2O3，因而，對(duì)于所得的每一燒結(jié)體內(nèi)的燒結(jié)助劑元素的含量來說，Y為4.4％的重量，Sm為6.7％的重量。水的比例和分散劑也與實(shí)施例1中相同。進(jìn)而，有機(jī)粘結(jié)劑的添加是毫無例外地通過在干粉上噴灑相同的有機(jī)粘結(jié)劑。
用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)量所得的每一Si3N4燒結(jié)體的相對(duì)密度和彎曲強(qiáng)度，并在表4中與用同樣方式測(cè)量的每一成型體的相對(duì)密度一同給出。
表4相對(duì)密度(％) 彎曲強(qiáng)度試料 PH值成型體 燒結(jié)體 (MPa)22 853 9682023 10 53 9685024 12 53 9682525*7.5 48 9239026*13 49 91410(注意)表中帶星號(hào)的試料為比較例以上述結(jié)果明顯看出，把淤漿的PH值保持在8到12能使成型體具有所希望的密度，燒結(jié)該成型體可得到彎曲強(qiáng)度至少為800MPa的致密Si3N4燒結(jié)體。
實(shí)施例5以與實(shí)施例1中相同的方式制備Si3N4燒結(jié)體，但如下面表5中所標(biāo)明的那樣改變分散劑和有機(jī)粘結(jié)劑的數(shù)量。使用的硅粉末與實(shí)施例1中的試料2相同，它是通過把商業(yè)Si粉末在空氣中于600℃下氧化處理5小時(shí)而得到的，其氧化膜的厚度為5.3nm。
對(duì)于試料27到31，通過在經(jīng)干燥淤漿得到的粉末上噴灑有機(jī)粘結(jié)劑而添加有機(jī)粘結(jié)劑；對(duì)于試料32到37，通過將有機(jī)粘結(jié)劑加入到淤漿中而添加有機(jī)粘結(jié)劑。所添加的燒結(jié)助劑的種類和數(shù)量與實(shí)施例1中相同。因而，對(duì)于所得的每一燒結(jié)體內(nèi)的燒結(jié)助劑元素，Y為4.4％的重量，Sm為6.7％的重量。水的比例和淤漿的PH值也與實(shí)施例1中相同。
用與實(shí)施例1中相同的方式測(cè)量所得的每一Si3N4燒結(jié)體的相對(duì)密度和彎曲強(qiáng)度，并在表5中與用同樣方式測(cè)量的每一成型體的相對(duì)密度一同給出。
表5試料 分散劑粘結(jié)劑 相對(duì)密度(％) 彎曲強(qiáng)度(wt％)(wt％)成型體 燒結(jié)體 (MPa)270.05 噴灑 53 96850282.5 噴灑 53 96870293.0 噴灑 52 9681030*0.03 噴灑 52 9348031*3.5 噴灑 52 93470320.5 0.05 55 971100330.5 1.557 981210340.5 2.557 981250350.5 3.053 9782036*0.5 0.04 43 8632037*0.5 3.253 91450(注)表中帶星號(hào)的試料為比較例從上述結(jié)果明顯看出，把添加到淤漿中的每一種的各自分散劑和有機(jī)粘結(jié)劑的比例保持在0.5到3％的重量能從淤漿直接得到具有所希望密度的成型體，燒結(jié)該成型體可得到彎曲強(qiáng)度至少為800MPa的致密Si3N4燒結(jié)體。
利用本發(fā)明可得到用于生產(chǎn)Si3N4陶瓷的淤漿狀硅基組合物，它含有作為分散介質(zhì)的水和燒結(jié)助劑。利用這種淤漿狀硅基組合物可不需安裝防爆設(shè)施進(jìn)行粉末混合和成型，從而可提供廉價(jià)的制品。另外，通過把硅基組合物調(diào)節(jié)到合適的條件得到的均勻密度的成型體，可制備高強(qiáng)度的致密燒結(jié)體。因而，利用本發(fā)明可提供相對(duì)密度至少為96％，彎曲強(qiáng)度至少800MPa的高質(zhì)量Si3N4陶瓷。
權(quán)利要求
1.一種淤漿狀硅基組合物，包括表面氧化膜厚度在1.5到15nm范圍的Si粉末、50到90％重量的水、0.2到7.5％重量的以氧化物表示的燒結(jié)助劑和0.05到3％重量的分散劑，所說的淤漿狀硅基組合物的PH值被調(diào)節(jié)到8-12。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的淤漿狀硅基組合物，其中燒結(jié)助劑是選自IIa族、IIIa族和稀土元素的化合物中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的淤漿狀硅基組合物，其中IIa族、IIIa族和稀土元素是Ca、Sr、Mg、Al、Y、La、Sm、Nd和Yb。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的淤漿狀硅基組合物，其中IIa族、IIIa族和稀土元素的化合物是氧化物、氮化物及氧氮化物或者通過加熱能轉(zhuǎn)化成氧化物、氮化物、氧氮化物的燒結(jié)助劑前驅(qū)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的硅基組合物，它進(jìn)一步包含一種有機(jī)粘結(jié)劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的硅基組合物，其中所含的有機(jī)粘結(jié)劑數(shù)量為0.05到3％的重量。
7.一種制備淤漿狀硅基組合物的工藝，包括在空氣中于200到800℃對(duì)Si粉末進(jìn)行氧化處理，在硅粉末中加入50到90％重量的水，0.2到7.5％重量的以氧化物表示的燒結(jié)助劑和0.05到3％重量的分散劑，調(diào)節(jié)PH值使最終混合物的PH值為8到12。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的工藝，其中燒結(jié)助劑是選自IIa族、IIIa族和稀土元素的化合物中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的工藝，其中IIa族、IIIa族和稀土元素是Ca、Sr、Mg、Al、Y、La、Sm、Nd和Yb。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的工藝，其中IIa族、IIIa族和稀土元素的化合物是粉末狀的氧化物、氮化物及氧氮化物或通過加熱能轉(zhuǎn)化成氧化物、氮化物、氧氮化物的燒結(jié)助劑前驅(qū)體。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的工藝，它進(jìn)一步包括向淤漿狀硅基組合物中添加有機(jī)粘結(jié)劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的工藝，其中所添加的有機(jī)粘結(jié)劑的數(shù)量為0.05到3％的重量。
13.一種用權(quán)利要求1中限定的淤漿狀硅基組合物制備的Si3N4陶瓷，所說的陶瓷具有至少96％的相對(duì)密度和至少800MPa的彎曲強(qiáng)度。
14.一種制備Si3N4陶瓷的工藝，包括成型權(quán)利要求1限定的淤漿狀硅基組合物以便得到成型體，在氮?dú)鈿夥罩屑訜嵩摮尚腕w以便對(duì)它燒結(jié)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的工藝，其中淤漿狀硅基組合物含有一種有機(jī)粘結(jié)劑并且是在壓力去除硅基組合物的水的同時(shí)進(jìn)行成型。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的工藝，其中干燥該淤漿狀硅基組合物以便得到干粉末，在所得的干粉上噴灑一種有機(jī)粘結(jié)劑，進(jìn)行成型。
全文摘要
一種淤漿狀硅基組合物，它包含有表面氧化膜厚度在1.5到15nm范圍的Si粉末、50到90％重量的水、0.2到7.5％重量的以氧化物表示的燒結(jié)助劑和0.05到3％重量的分散劑，硅基組合物的pH值被調(diào)節(jié)到8-12。該硅基組合物的制備工藝包括在空氣中于200至800℃對(duì)硅粉末進(jìn)行氧化處理，向氧化后的Si粉末中添加50到90％重量的水、0.2到7.5％重量的以氧化物表示的燒結(jié)助劑和0.05到3％重量的分散劑，調(diào)節(jié)pH值使最終混合物的pH值為8到12。
文檔編號(hào)C04B35/626GK1151387SQ9611453
公開日1997年6月11日 申請(qǐng)日期1996年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月16日
發(fā)明者中田成二, 山川晃 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社