本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)非金屬陶瓷材料制備領(lǐng)域，其具體涉及到一種在低燒結(jié)溫度下，制備高β-氮化硅含量、高密度、高彎曲強(qiáng)度的氮化硅陶瓷的方法。

背景技術(shù)：

氮化硅作為一種新型陶瓷材料，其硬度高、耐腐蝕、耐磨損，且具有良好的高溫強(qiáng)度。與其它陶瓷相比，氮化硅陶瓷比重小、熱膨脹系數(shù)低、抗熱沖擊性好、斷裂韌性高。而具有高長(zhǎng)徑比的棒狀β-si3n4晶?？梢云鸬阶栽鲰g的作用，可進(jìn)一步提高材料的斷裂韌性。是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料和高速切削工具陶瓷材料

但是由于氮化硅是共價(jià)化合物，氮原子具有很低的自擴(kuò)散系數(shù)，難以燒結(jié)致密，無(wú)壓燒結(jié)須采用燒結(jié)助劑在高溫下產(chǎn)生液相，活化燒結(jié)過(guò)程。氮化硅的燒結(jié)助劑的種類繁多，通常有金屬氧化物、稀土氧化物、鹽類等。為了不影響氮化硅陶瓷的性能特別是高溫性能，燒結(jié)助劑的加入量要適量，且高溫下析出耐火度高的第二相，保證材料的高溫性能，因此常用的燒結(jié)助劑為稀土氧化物及mgo、al2o3(zorankrstic,vladimird.krstic,siliconnitride:theengineeringmaterialofthefuture,j.mater.sci.47(2012)535-552)。但是根據(jù)現(xiàn)有的研究成果(jian-fengyang,tatsukiohji,koichiniihara,influenceofyttria–aluminacontentonsinteringbehaviorandmicrostructureofsiliconnitrideceramics,j.am.ceram.soc.,83(2000)2094–2096；hirokazuyamamoto,katunoriakiyama,yuichiromurakami,densificationbehaviorsandhigh-temperaturecharacteristicsofsi3n4sinteredbodiesusingal2o3–yb2o3additives,j.eur.ceram.soc.26(2006)1059–1067)，稀土氧化物和al2o3、mgo的燒結(jié)助劑在無(wú)壓燒結(jié)條件下，燒結(jié)溫度需高于1600度陶瓷的相對(duì)密度才能達(dá)到90％，燒結(jié)溫度達(dá)到1650度以上時(shí)，α-si3n4才可以完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?si3n4，因此要獲得高β-si3n4含量的氮化硅陶瓷，其無(wú)壓燒結(jié)溫度基本都高于1650度，一般燒結(jié)溫度為1700-1800℃?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)無(wú)壓燒結(jié)條件下制備氮化硅陶瓷需要極高溫度，對(duì)燒結(jié)設(shè)備要求高，能耗大，極大的提高的材料的制備成本，而其他燒結(jié)方式如熱壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)需要的儀器更為復(fù)雜、昂貴，且不能制備復(fù)雜形狀樣品，加工損耗大，成本更昂貴。而本研究利用稀土氟化物和al2o3、mgo的混合物作為燒結(jié)助劑，可以在1500度左右即可燒結(jié)較為致密，且可以使α-si3n4完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?si3n4，而且獲得了以高熔點(diǎn)re4si2n2o7、re10(sio4)6o3(re為稀土離子)等稀土硅氧氮相為晶間相的樣品，保證了樣品的耐溫性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于解決低溫?zé)Y(jié)β-氮化硅含量低且耐高溫性能較差、力學(xué)性能低的問(wèn)題，提供了一種在低燒結(jié)溫度下，制備高β-氮化硅含量、高彎曲強(qiáng)度、高斷裂韌性的氮化硅陶瓷的方法。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種低溫?zé)o壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的制備方法；以α-氮化硅和燒結(jié)助劑總量為基準(zhǔn)，α-氮化硅的質(zhì)量含量為75-97％，加入燒結(jié)助劑質(zhì)量含量為3-25％，將混合粉體球磨混合、干燥；將混合粉料經(jīng)過(guò)造粒、成型，制備出預(yù)備燒結(jié)體；將預(yù)備燒結(jié)體排膠后，在1500-1600℃燒結(jié)，得到氮化硅陶瓷材料。

所述燒結(jié)助劑組成為含量2-15wt％的氟化釔、氟化鑭、氟化鈰、氟化釓、氟化鏑、氟化鐿其中的一種，并添加1-10wt％的氧化鎂、氧化鋁中的一種。

優(yōu)選在1500-1600℃燒結(jié)0.5-6小時(shí)。

本發(fā)明制備的低溫?zé)Y(jié)氮化硅陶瓷，克服了傳統(tǒng)稀土氧化物助燒劑燒結(jié)溫度高的缺點(diǎn)，在低溫?zé)Y(jié)下即可獲得相對(duì)密度98％，彎曲強(qiáng)度671mpa，α-氮化硅完全轉(zhuǎn)化成β-氮化硅的氮化硅陶瓷材料。其中陶瓷的相對(duì)密度計(jì)算方式為：相對(duì)密度＝樣品密度/理論密度，不同配方的理論密度通過(guò)xrd確定相含量后計(jì)算得到。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1.本發(fā)明首次以稀土氟化物燒結(jié)助劑為主體，在較低溫度獲得了高密度、高力學(xué)性能的氮化硅陶瓷；

2.本發(fā)明在低溫?zé)Y(jié)的前提下，控制晶界相組成，保證其高耐溫性能；

3.本發(fā)明燒結(jié)溫度低于1600℃，降低了溫度和對(duì)燒結(jié)設(shè)備的要求，極大的降低氮化硅陶瓷的制備成本；

4.本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)氮化硅陶瓷相對(duì)密度可達(dá)98％，彎曲強(qiáng)度671mpa，α-氮化硅轉(zhuǎn)化成β-氮化硅比率可達(dá)100％的氮化硅陶瓷材料。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例3的微觀形貌圖；

圖2為實(shí)施例5的x射線衍射圖；

圖3為實(shí)施例5的微觀形貌圖；

圖4為實(shí)施例12的微觀形貌圖；

圖5為實(shí)施例17的x射線衍射圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

將α-氮化硅、氟化釔、氧化鎂以質(zhì)量比88:2:10配料，所得混合粉料加入酒精及聚乙烯醇后使用氧化鋯磨球行星球磨4小時(shí)，其中聚乙烯醇的用量為：粉體：聚乙烯醇＝100:1.25。將所得漿料烘干后，過(guò)40目篩，得到造粒粉。將造粒粉體成型后，在600度排膠1.5小時(shí)，得到預(yù)燒結(jié)體。將燒結(jié)體放置于氣氛爐中，使用氮?dú)庾霰Ｗo(hù)氣氛，氮化硅和氮化硼粉體做墊料，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550度，燒結(jié)時(shí)間3小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度91％，強(qiáng)度431mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率95％，晶間相為y4si2n2o7。

實(shí)施例2：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化釔、氧化鎂質(zhì)量比為92:7:1，燒結(jié)溫度為1500度，燒結(jié)時(shí)間0.5小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度90％，強(qiáng)度342mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率95％，晶間相為y4si2n2o7。

實(shí)施例3：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化釔、氧化鋁質(zhì)量比為80:15:5，燒結(jié)溫度為1550度，燒結(jié)時(shí)間2小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度97％，強(qiáng)度492mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為y4si2n2o7，樣品的微觀形貌圖如附圖1所示。

實(shí)施例4：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鑭、氧化鎂質(zhì)量比為93:2:5，燒結(jié)溫度為1600度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度97％，強(qiáng)度580mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率95％，晶間相為la10(sio4)6o3。

實(shí)施例5：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鑭、氧化鋁質(zhì)量比為88:7:5，燒結(jié)溫度為1500度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度90％，強(qiáng)度392mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率68％，晶間相為la10(sio4)6o3，樣品的x射線衍射圖譜如附圖2所示，微觀形貌圖如附圖3所示。

實(shí)施例6：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鑭、氧化鋁質(zhì)量比為84:15:1，燒結(jié)溫度為1500度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度92％，強(qiáng)度424mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率96％，晶間相為la10(sio4)6o3。

實(shí)施例7：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鈰、氧化鎂質(zhì)量比為97:2:1，燒結(jié)溫度為1600度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度90％，強(qiáng)度467mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率84％，晶間相為ce4.667(sio4)3o。

實(shí)施例8：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鈰、氧化鎂質(zhì)量比為88:7:5，燒結(jié)溫度為1550度，燒結(jié)時(shí)間3小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度95％，強(qiáng)度477mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率82％，晶間相為ce4.667(sio4)3o。

實(shí)施例9：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鈰、氧化鋁質(zhì)量比為75:15:10，燒結(jié)溫度為1550度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度97％，強(qiáng)度580mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為ce4.667(sio4)3o。

實(shí)施例10：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化釓、氧化鋁質(zhì)量比為97:2:1，燒結(jié)溫度為1500度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度88％，強(qiáng)度326mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率70％，晶間相為gdsino2。

實(shí)施例11：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化釓、氧化鎂質(zhì)量比為83:7:10，燒結(jié)溫度為1600度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度95％，強(qiáng)度517mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為gdsino2。

實(shí)施例12：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化釓、氧化鎂質(zhì)量比為75:15:10，燒結(jié)溫度為1600為度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度98％，強(qiáng)度671mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為gdsino2，樣品的微觀形貌圖如附圖4所示。

實(shí)施例13：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鏑、氧化鋁質(zhì)量比為93:2:5，燒結(jié)溫度為1600度，燒結(jié)時(shí)間3小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度95％，強(qiáng)度593mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為dy4si2n2o7。

實(shí)施例14：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鏑、氧化鋁質(zhì)量比為83:7:10，燒結(jié)溫度為1600度，燒結(jié)時(shí)間0.5小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度94％，強(qiáng)度556mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為dy4si2n2o7。

實(shí)施例15：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鏑、氧化鎂質(zhì)量比為80:15:5，燒結(jié)溫度為1600度，燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度97％，強(qiáng)度664mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為dy4si2n2o7。

實(shí)施例16：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鐿、氧化鋁質(zhì)量比為88:2:10，燒結(jié)溫度為1600度，燒結(jié)時(shí)間3小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度91％，強(qiáng)度475mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為yb4si2n2o7。

實(shí)施例17：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鐿、氧化鋁質(zhì)量比為92:7:1，燒結(jié)溫度為1550度，燒結(jié)時(shí)間2小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度93％，強(qiáng)度476mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率100％，晶間相為yb4si2n2o7，樣品的x射線衍射圖譜如附圖5所示。

實(shí)施例18：

具體步驟同實(shí)施例1，但α-氮化硅、氟化鐿、氧化鎂質(zhì)量比為84:15:1，燒結(jié)溫度為1500度，燒結(jié)時(shí)間2小時(shí)。所得樣品相對(duì)密度93％，強(qiáng)度483mpa，β-氮化硅轉(zhuǎn)化率72％，晶間相為yb4si2n2o7。