本發(fā)明屬于陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮化硅陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能，作為結(jié)構(gòu)材料得到了普遍關(guān)注。一般氮化硅的抗彎強(qiáng)度可超過(guò)1000MPa，然而其熱導(dǎo)率只有20-30W/mK，與氧化鋁陶瓷相近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷(180-260W/mK)。文獻(xiàn)“J.S.Haggerty，A.Lightfoot，Opportunities for Enhancing the Thermal Conductivities of SiCand Si3N4Ceramics through Improved Processing，Ceram.Eng.Sci.Proc.，1995，16(4)：p475-487.”的計(jì)算表明氮化硅的本征熱導(dǎo)率為320W/mK。而文獻(xiàn)“N.Hirosaki，S.Ogata，C.Kocer，H.Kitagawa，and Y.Nakamura，Molecular dynamics calculation of the idealthermal conductivity of single-crystal α-andβ-Si3N4，Phys.Rev.B，2002，65，134110”的計(jì)算表明氮化硅的β-Si3N4的a軸和c軸的理論熱導(dǎo)率分別為170和450W/mK，這為研制高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷提供了理論依據(jù)。
目前獲取高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷要靠高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱處理，例如文獻(xiàn)“N.Hirosaki，Y.Okamoto，M.Ando，F(xiàn).Munakata，Y.Akimune，ThermalConductivity of Gas-Pressure-Sintered Silicon Nitride，J.Am.Ceram.Soc.1996，79(11)：p2878-82”報(bào)道，在100MPa的氮?dú)庵?000℃燒結(jié)4小時(shí)獲得了熱導(dǎo)率為120W/mK的氮化硅陶瓷；文獻(xiàn)“Watari K；Hirao K；Brito ME；ToriyamaM；Kanzaki S，Hot isostatic pressing to increase thermal conductivity ofSi3N4 ceramics，J.Mat.Res.1999，14(4)：p1538-1541”中報(bào)道，在原料中添加β-Si3N4種晶、并使之定向排列，經(jīng)1800℃熱壓燒結(jié)后在2500℃熱等靜壓處理2小時(shí)在與β-Si3N4種晶平行的方向獲得了目前最高的熱導(dǎo)率155W/mK。這些研究證明了高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的實(shí)際可行性，但是所采取的高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱處理造成陶瓷晶粒異常長(zhǎng)大，力學(xué)性能急劇降低，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。目前可以實(shí)際應(yīng)用的高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率低于60W/mK左右，強(qiáng)度低于700MPa。對(duì)于高熱導(dǎo)率的產(chǎn)生機(jī)理，一般認(rèn)為高溫加熱處理或添加晶種燒結(jié)后在氮化硅陶瓷中形成的粗大β-Si3N4柱狀晶本身具有較高的熱導(dǎo)率，是氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率升高的原因，這意味著熱導(dǎo)率和力學(xué)性能不可兼得。這是造成高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷的應(yīng)用研究徘徊不前的主要原因。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出一種氮化硅陶瓷的制備方法，該制備方法可以凈化氮化硅晶粒，提高熱導(dǎo)率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
一種氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數(shù)計(jì)算，稱取氮化硅70～80份、稀土氧化物5～10份與燒結(jié)助劑1～4份混合均勻，加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中110～120℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為-20℃～0℃條件下，氫氣氣流中過(guò)篩，得到復(fù)合粉料；
2)將步驟1)得到的復(fù)合粉料裝入放電等離子燒結(jié)裝置的石墨模具中，抽真空后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，加熱速度為12～15K/s，加熱溫度為1450～1700℃，保溫時(shí)間為3～8min，獲得致密的氮化硅陶瓷；
其中，所述燒結(jié)助劑為氧化鋁與氧化硼的混合物。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例，氧化鋁與氧化硼之間的質(zhì)量比為3～4:6～7。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實(shí)施例，所述稀土氧化物為氧化釔、氧化鑭與氧化鈰中的一種或者多種。
添加稀土化合物的目的是為了在燒結(jié)或者加熱處理過(guò)程中能夠和氮化硅粉體中所含有的氧元素發(fā)生反應(yīng)，以凈化氮化硅晶粒，提高熱導(dǎo)率。本發(fā)明的實(shí)施例中多采用價(jià)格低廉的氧化釔稀土化合物。其它化學(xué)性能相近的稀土化合物如氧化鑭與氧化鈰等也能達(dá)到同樣的目的，同樣可以作為本發(fā)明的氮化硅陶瓷燒結(jié)助劑使用。添加量過(guò)少難以充分發(fā)揮其作用，添加量過(guò)多會(huì)形成過(guò)多的晶界相，影響熱導(dǎo)率。
放電等離子燒結(jié)工藝具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)組織均勻的特點(diǎn)。對(duì)于氮化硅陶瓷，還可以通過(guò)適當(dāng)控制工藝參數(shù)，控制β-Si3N4柱狀晶的形態(tài)，優(yōu)化組織，提高氮化硅陶瓷的斷裂韌性。申請(qǐng)人的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制燒結(jié)過(guò)程中的加熱速度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間，能夠獲得晶粒細(xì)小、組織致密的氮化硅陶瓷。加熱速度為12～15K/s，加熱溫度為1450～1700℃，保溫時(shí)間為3～8min可以得到良好的燒結(jié)體。
采用放電等離子燒結(jié)工藝雖然可以提供晶粒細(xì)小、組織致密的陶瓷，但并不能獲得高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷。經(jīng)過(guò)深入的研究，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，對(duì)放電等離子燒結(jié)獲得的氮化硅陶瓷進(jìn)行高溫加熱處理，能夠同時(shí)提高熱導(dǎo)率和力學(xué)性能，獲得所需的高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度氮化硅陶瓷。加熱溫度過(guò)低，加熱時(shí)間過(guò)短，起不到所需的效果，而過(guò)高的加熱溫度和過(guò)長(zhǎng)的加熱時(shí)間將導(dǎo)致制造成本急劇增加。
本發(fā)明的有益效果：
1、發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)氮化硅由于原料自身的原因，即使真空等離子燒結(jié)，也會(huì)出現(xiàn)少量的氧化現(xiàn)象。發(fā)明人將氮化硅原料經(jīng)過(guò)-20℃～0℃氫氣氣流中過(guò)篩，再進(jìn)行真空等離子燒結(jié)，可以完全杜絕氧化現(xiàn)象的發(fā)生，有利于燒結(jié)獲得更多的α相的Si3N4。
2、燒結(jié)助劑一般有助于抑制晶粒長(zhǎng)大，但是并不是所有的抑制晶粒長(zhǎng)大的燒結(jié)助劑，都會(huì)有助于燒結(jié)。發(fā)明人通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氧化鋁與氧化硼作為氮化硅陶瓷的燒結(jié)助劑，不僅有助于燒結(jié)，而且增強(qiáng)陶瓷在高溫條件下的抗疲勞性能(即在1450℃～1500℃長(zhǎng)時(shí)間使用也不會(huì)出現(xiàn)疲勞損壞)。
3、本發(fā)明獲得的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率高達(dá)60～70W/mK，1200℃的抗彎強(qiáng)度為1024～1048MPa。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數(shù)計(jì)算，稱取氮化硅70份、氧化釔3份、氧化鑭3份與燒結(jié)助劑3份混合均勻，加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中110℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為-10℃條件下，氫氣氣流中過(guò)篩，得到復(fù)合粉料；所述燒結(jié)助劑為氧化鋁與氧化硼的混合物，質(zhì)量比為3：7。
2)將步驟1)得到的復(fù)合粉料裝入放電等離子燒結(jié)裝置的石墨模具中，抽真空后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，加熱速度為12K/s，加熱溫度為145℃，保溫時(shí)間為6min，獲得致密的氮化硅陶瓷。
所得氧化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為66W/mK，抗彎強(qiáng)度為1040MPa，維氏硬度為15.8GPa。
實(shí)施例2
一種氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數(shù)計(jì)算，稱取氮化硅76份、氧化釔4份、氧化鈰3份與燒結(jié)助劑4份混合均勻，加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中120℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為-20℃條件下，氫氣氣流中過(guò)篩，得到復(fù)合粉料；所述燒結(jié)助劑為氧化鋁與氧化硼的混合物，質(zhì)量比為4：6。
2)將步驟1)得到的復(fù)合粉料裝入放電等離子燒結(jié)裝置的石墨模具中，抽真空后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，加熱速度為14K/s，加熱溫度為1540℃，保溫時(shí)間為3min，獲得致密的氮化硅陶瓷；
所得氧化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為70W/mK，抗彎強(qiáng)度為1048MPa，維氏硬度為16.3GPa。
實(shí)施例3
一種氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數(shù)計(jì)算，稱取氮化硅78份、氧化釔10份與燒結(jié)助劑1份混合均勻，加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中110℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為-5℃條件下，氫氣氣流中過(guò)篩，得到復(fù)合粉料；所述燒結(jié)助劑為氧化鋁與氧化硼的混合物，質(zhì)量比為4：6。
2)將步驟1)得到的復(fù)合粉料裝入放電等離子燒結(jié)裝置的石墨模具中，抽真空后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，加熱速度為14K/s，加熱溫度為1600℃，保溫時(shí)間為6min，獲得致密的氮化硅陶瓷。
所得氧化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為62W/mK，抗彎強(qiáng)度為1032MPa，維氏硬度為15.5GPa。
實(shí)施例4
一種氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數(shù)計(jì)算，稱取氮化硅80份、氧化釔3份、氧化鑭1份與氧化鈰1份與燒結(jié)助劑1份混合均勻，加入至球磨機(jī)中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中120℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為0℃條件下，氫氣氣流中過(guò)篩，得到復(fù)合粉料；所述燒結(jié)助劑為氧化鋁與氧化硼的混合物，質(zhì)量比為4：6。
2)將步驟1)得到的復(fù)合粉料裝入放電等離子燒結(jié)裝置的石墨模具中，抽真空后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，加熱速度為15K/s，加熱溫度為1700℃，保溫時(shí)間為3～8min，獲得致密的氮化硅陶瓷。
所得氧化硅陶瓷的熱導(dǎo)率為60W/mK，抗彎強(qiáng)度為1024MPa，維氏硬度為15.1GPa。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。