一種Si₃N₄-TiZrN₂-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的液相燒結(jié)法
【專利摘要】一種Si3N4?TiZrN2?TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷，合成該復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的原料包括：Si3N4、ZrN、TiN、Y2O3、La2O3、AlN；該復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的最終產(chǎn)物里包括Si3N4相、TiN相和金屬氮化物的固溶體TiZrN2相。其中，AlN的加入避免了常規(guī)方式中加入Al2O3所引起的揮發(fā)，并且加入AlN會(huì)使最終產(chǎn)品的表面比加入Al2O3光滑；本發(fā)明名還給出一種Si3N4?TiZrN2?TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的液相燒結(jié)法。本發(fā)明有益效果如下：1.電阻率低；本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)電陶瓷用SX1944四探針測(cè)試儀測(cè)試樣品電阻為10?2Ω·cm量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。2.機(jī)械強(qiáng)度高；本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)電陶瓷用載荷為10kg，加壓時(shí)間為5s的條件測(cè)量樣品的維氏硬度為14.7GPa；利用硬度壓痕四角處擴(kuò)展的裂紋長(zhǎng)度計(jì)算樣品的斷裂韌性為7.8MPa.m0.5保持了氮化硅陶瓷原有的強(qiáng)度和硬度。
【專利說(shuō)明】
一種S i 3N4-T i ZrN2-T i N復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的液相燒結(jié)法
技術(shù)領(lǐng)域
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[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)電陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的液相燒結(jié)法。
【背景技術(shù)】
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[0002]氮化硅(Si3N4)是一種性能很好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高硬度、高耐腐蝕性等，可應(yīng)用于各行各業(yè)。制備氮化硅陶瓷材料的方法很多，有熱壓、常壓、反應(yīng)等燒結(jié)方法，其中常壓燒結(jié)方法簡(jiǎn)單易行，耗能少。由于氮化硅是共價(jià)鍵化合物，自擴(kuò)散系數(shù)低，本身很難直接燒結(jié)成瓷，因此往往加入一些氧化物等作為燒結(jié)助劑進(jìn)行燒結(jié)。常用的有Al2O3、Y2O3、Mg02等。這些添加物在燒結(jié)過(guò)程中形成液相促使氮化硅陶瓷燒結(jié)致密，以達(dá)到材料高強(qiáng)度、高硬度的要求。
[0003]由于Si3N4陶瓷本身高強(qiáng)度和高硬度的性能使得后期加工困難，常以金剛石刀具進(jìn)行切割，但傳統(tǒng)的金剛石加工的方法加工效率低且成本昂貴。成本低、效率高的放電(電火花)加工技術(shù)已成功用于金屬制品加工，若能用于加工Si3N4陶瓷則會(huì)大大提高加工效率和降低加工成本，但能用放電加工的材料必須具有一定的導(dǎo)電性，其電阻率要求低達(dá)1t3Q.cm量級(jí)及以下，但Si3N4陶瓷屬于絕緣體，其電阻率約為115 Ω.cm量級(jí)，是不可能用放電方法進(jìn)行加工的。所以人們想到了用另外一種導(dǎo)電性很好的材料加入Si3N4中制備成Si3N4基復(fù)合導(dǎo)電性材料，使其電阻率下降到能用于電火花加工的程度。在CN1272283C的專利里使用了金屬Ti和Ta，從而使最終燒結(jié)的復(fù)合氮化硅電阻率降到1t3Q.cm量級(jí)，剛剛達(dá)到放電加工的要求，并且其硬度和斷裂韌性較未加導(dǎo)電助劑的氮化硅陶瓷差。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明旨在解決上述問(wèn)題，提供一種電阻率低、硬度和斷裂韌性優(yōu)良的一種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷；同時(shí)還提供一種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的液相燒結(jié)法。
[0005]—種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷，合成該復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的原料包括:Si3N4、ZrN、TiN、Y203、La203、AlN;該復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的的最終產(chǎn)物里包括Si3N4相、TiN相和金屬氮化物的固溶體TiZrN2相。其中，AlN的加入可避免常規(guī)方式中加入Al2O3所引起的低溫?fù)]發(fā)，并且加入AlN會(huì)使最終產(chǎn)品的表面比加入Al2O3光滑。
[0006]由于是采用燒結(jié)工藝來(lái)制作的復(fù)合導(dǎo)電陶瓷材料，各材料燒結(jié)過(guò)程中的熱膨脹系數(shù)是至關(guān)重要的的，如果熱膨脹系數(shù)相差大，則不利于燒結(jié)，會(huì)影響最終成品的密度、硬度和斷裂韌性，故所選擇的導(dǎo)電助劑的除了要電阻率低，還要熱膨脹系數(shù)要與氮化硅相差不大。另外，如果還兼有其它好的機(jī)械性能則更為理想。氮化鈦和氮化鋯都有高電導(dǎo)率，兩者的電阻率都在 10—4Ω.cm量級(jí)，ZrN比TiN更低(TiN:2.07X10—4Ω.cm;ZrN:1.4Χ 10—4Ω.cm)；熱膨脹系數(shù)和氮化硅在一個(gè)數(shù)量級(jí)，均為約KT6IT1，且ZrN更接近氮化硅(Si3N4:3.64 XΙΟ-Ι-1;ZrN: 7.3 X KT6IT1;TiN: 9.35 X KT6IT1)；另外TiN、ZrN本身都的硬度都比氮化硅高很多，其中，ZrN的硬度比TiN碳化鈦更高，ZrN作為添加劑有增強(qiáng)韌性的作用。
[0007]優(yōu)選的，Si3N4:TiN: Y2O3: La2O3: AlN= (9?11): (5.4?6.6): (0.8?1.2): (0.8?1.2):(1.3?1.66)，2洲的加入量為8?15￥戈％。
[0008]一種S i 3N4-T i ZrN2-T iN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的液相燒結(jié)法，包括以下步驟:
[0009](1)配料混合:將513?、1^1丫203、1^203、八1~以(9?11):(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2): (1.3?1.66)的比例混合，ZrN的加入量為8?15w.t %，之后在研缽中加入酒精研磨I?3h后干燥;其中，Si3N4的α相含量高于70%，純度高于97%，粒度為0.6?0.8μπι，TiN粒度為18?22nm，ZrN粒度為16?21nm;
[0010](2)成型及燒結(jié):將干燥后的混合料用模具干壓成型再經(jīng)冷等靜壓后放入燒結(jié)爐中在N2保護(hù)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1760±25°C，保溫時(shí)間根據(jù)樣品的大小可設(shè)為I?3h。
[0011]本發(fā)明有益效果如下:
[0012]1.電阻率低;本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)電陶瓷用SX1944四探針測(cè)試儀測(cè)試樣品電阻為10—2Ω.cm量級(jí)，遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。
[0013]2.機(jī)械強(qiáng)度高;本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)電陶瓷用載荷為10kg，加壓時(shí)間為5s的條件測(cè)量樣品的維氏硬度為14.7GPa;利用硬度壓痕四角處擴(kuò)展的裂紋長(zhǎng)度計(jì)算樣品的斷裂韌性為7.SMPa.n/3.5，達(dá)到了氮化硅陶瓷原有的高硬度和高斷裂韌性。
【具體實(shí)施方式】
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[0014]一種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷，合成該復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的原料包括:Si3N4、ZrN、TiN、Y203、La203、AlN;該復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的的最終產(chǎn)物里包括Si3N4相、TiN相和金屬氮化物的固溶體Ti ZrN2相。
[0015]在本實(shí)施方式中，513他:!1化￥203:1^203:厶^=(9?11):(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2):(1.3?1.66)，2洲的加入量為8?15界.七％。
[0016]一種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的液相燒結(jié)法，Si3N4選用α相含量高于70%粉料，純度高于97%，平均粒度0.7μπι; Y2O3、La2O3和AlN為市售，化學(xué)純;TiN購(gòu)自合肥凱爾納米能源科技股份有限公司，純度為99.2%，平均粒度為20nm;ZrN購(gòu)自錦州金鑫股份有限公司；將各成分按(9?11):():(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2):(1.3?1.66)的比例稱量配料，將配好的料加入酒精在瑪瑙研缽中混磨2小時(shí)或加入酒精和ZrO2球在聚氨酯筒中球磨I小時(shí)后置于空氣中干燥;再將干燥好的混合料用不銹鋼磨具干壓成方塊后放入燒結(jié)爐中在N2保護(hù)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1760°C±25°C，保溫時(shí)間根據(jù)樣品的大小可設(shè)為l_3h。
[0017]利用日本理學(xué)D/MAX-RB型X射線衍射儀對(duì)燒結(jié)進(jìn)行樣品的物相分析，證實(shí)樣品內(nèi)含有金屬氮化物的固溶體TiZrN2。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷，其特征在于:合成該復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的原料包括:Si3N4、ZrN、TiN、Y203、La203、AlN;該復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的的最終產(chǎn)物里包括Si3N4相、TiN相和金屬氮化物的固溶體TiZrfe相。2.如權(quán)利要求1所述的一種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷，其特征在于:Si3N4:TiN:Y203:La203:AlN=(9?ll):(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2):(1.3?1.66)，Zrr^]WA量為8?15w.t%。3.一種Si3N4-TiZrN2-TiN復(fù)合導(dǎo)電陶瓷的液相燒結(jié)法，其特征在于:包括以下步驟: (1)配料混合:將313?、1^1丫203、1^203、八1~以(9?11):(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2): (1.3?1.66)的比例混合，ZrN的加入量為8?15w.t%,之后在研缽中加入酒精研磨I?3h后干燥;其中，Si3N4的α相含量高于70%，純度高于97%，粒度為0.6?0.8μπι，TiN粒度為18?22nm，ZrN粒度為16?21nm; (2)成型及燒結(jié):將干燥后的混合料用模具干壓成型再經(jīng)冷等靜壓后放入燒結(jié)爐中在N2保護(hù)氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1760 ± 25 °C，保溫時(shí)間為I?3h。
【文檔編號(hào)】C04B35/587GK105884375SQ201610178439
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月18日
【發(fā)明人】江涌, 吳瀾爾, 黃新華
【申請(qǐng)人】北方民族大學(xué)