專利名稱：一種高硬度氮化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高硬度氮化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)方法，更確切的說是以氮化硅鎂(MgSiN2)粉體作為燒結(jié)助劑熱壓燒結(jié)制備高硬度氮化硅陶瓷的方法，屬于非氧化物陶瓷制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)五十年代發(fā)展起來的Si3N4陶瓷，作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，具有高溫強(qiáng)度高、抗熱震性能好、高溫蠕變小、耐磨、優(yōu)良的抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于制造燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫部件、化學(xué)工業(yè)中耐腐耐磨部件、半導(dǎo)體工業(yè)中的坩堝、以及高溫陶瓷軸承、高速切削工具、雷達(dá)天線罩、核反應(yīng)堆的支撐、隔離件和裂變物質(zhì)的載體等。
氮化硅是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，沒有固定的熔點(diǎn)，在1850℃以上的溫度下發(fā)生分解，又因?yàn)榈枳詳U(kuò)散系數(shù)低，只有當(dāng)燒結(jié)溫度接近氮化硅分解溫度時(shí)，離子遷移才有足夠的速度，因此固相燒結(jié)很難得到致密的氮化硅陶瓷。目前氮化硅陶瓷的燒結(jié)多數(shù)采用液相燒結(jié)，即需要添加一定量的氧化物燒結(jié)助劑，高溫時(shí)氧化物添加劑與表層的二氧化硅及氮化硅反應(yīng)生成氧氮化物液相促進(jìn)燒結(jié)，燒成完成后形成非晶態(tài)的玻璃相形式或晶界析出相，存在于晶界或晶界三角區(qū)，晶界的狀態(tài)是決定多晶陶瓷電性能、熱性能和力學(xué)性能等諸性能的一個(gè)極其重要的因素，對(duì)于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷氮化硅來說，晶界相的形成劣化了材料的高溫性能，晶界的強(qiáng)度尤其晶界在高溫下的強(qiáng)度是決定這類材料能否為高溫工程所用的關(guān)鍵。一般認(rèn)為晶界玻璃相的性能如強(qiáng)度、軟化溫度等由所添加的燒結(jié)助劑種類和含量等因素控制，玻璃相的性能在很大程度上決定了氮化硅陶瓷材料的性能，針對(duì)這個(gè)問題，人們提出了通過改變晶界的狀態(tài)來提高氮化硅陶瓷的高溫力學(xué)性能，即所謂的“晶界工程”。
氧化物燒結(jié)助劑雖然能夠和二氧化硅及氮化硅形成液相，但由于液相中有較多的雜質(zhì)離子，不利于長柱狀的氮化硅顆粒生成，難以得到高性能的氮化硅陶瓷。長柱狀晶粒的形成，其優(yōu)點(diǎn)在于使得氮化硅陶瓷的力學(xué)性能諸如斷裂韌性、抗折強(qiáng)度等獲得顯著提高[1.K.Hirao，T.Nagaoka，etal.Microstructure control of silicon nitride by seeding with rodlike β-siliconnitride particles.J.Am.Ceram.Soc.77[7] 1857-62(1994)；2.Sang-hoon Rhee，JaeDo Lee，Doh-Yeon Kim，Effect of heating rate on the exaggerated grain growthbehavior ofβ-Si3N4，Mater.Lett.，32，115-20(1997)]，與晶須纖維補(bǔ)強(qiáng)增韌復(fù)合材料一樣，通過橋聯(lián)和拔出效應(yīng)對(duì)裂紋擴(kuò)展施加一個(gè)閉合應(yīng)力，從而提高其力學(xué)性能。力學(xué)性能的提高，同時(shí)可以促進(jìn)其它性能如抗磨損、抗熱震性、蠕變性能和抗疲勞性能等的提高。
本發(fā)明提出以新型氮化物氮化硅鎂粉體作為燒結(jié)助劑，通過熱壓燒結(jié)法來制備高性能的Si3N4陶瓷，避免了傳統(tǒng)氮化硅陶瓷制備中形成大量晶界相對(duì)最終陶瓷性能的影響。到目前為止，尚未見到以氮化硅鎂粉體作為燒結(jié)助劑制備Si3N4陶瓷的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以氮化硅鎂作為燒結(jié)助劑制備高性能氮化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)方法。
具體地說本發(fā)明的植被方法特征在于(1)以α-Si3N4和氮化硅鎂為起始原料，兩者重量比例為100∶10-2；其中α-Si3N4粉的α相含量＞83wt％，粒徑為0.3-30μm之間，MgSiN2粉體純度＞98wt％，粒徑為0.3-30μm。
(2)將上述步驟(1)含有燒結(jié)助劑的粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在10-30MPa、1600℃-1700℃、保溫時(shí)間1-5小時(shí)、氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。
顯然，本發(fā)明提供的高性能氮化硅陶瓷的制備方法與現(xiàn)有的氮化硅陶瓷的制備方法相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)(1)以相對(duì)較少的燒結(jié)助劑制備出致密氮化硅陶瓷(2)在相對(duì)較低的溫度下制備出致密的高性能的氮化硅陶瓷所制備的氮化硅陶瓷具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，其中三點(diǎn)抗折強(qiáng)度達(dá)σb＞800MPa、斷裂韌性KIc＞5.00MPa·m1/2左右、硬度Hv＞1900Kg/mm2，最高可大于2200Kg/mm2，即大于22Gpa。


圖1是本發(fā)明的工藝流程簡2分別為本發(fā)明所提供的實(shí)施例1，2所得的氮化硅陶瓷的斷口形貌圖(2a，2b)圖3為本發(fā)明所提供的實(shí)施例3所得的氮化硅陶瓷的XRD4為本發(fā)明所提供的實(shí)施例4所得的氮化硅陶瓷的XRD圖具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明決非僅局限于實(shí)施例。
實(shí)施例1將含有5wt％燒結(jié)助劑氮化硅鎂的α-Si3N4粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在20Mpa、1650℃、保溫時(shí)間1小時(shí)、氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。α-Si3N4粉料粒徑0.3-30μm，MgSiN2粉體粒徑為0.3-30μm。本實(shí)施例中混合物中α-Si3N4與MgSiN2粉料重量比為100∶5。
由上述工藝制備的氮化硅陶瓷三點(diǎn)抗折強(qiáng)度σb為1181MPa、斷裂韌性KIC達(dá)6.68MPa·m1/2左右、硬度Hv達(dá)1974Kg/mm2(19.74GPa)。其斷口形貌如圖2(a)所示。
實(shí)施例2將含有5wt％燒結(jié)助劑氮化硅鎂的α-Si3N4％粉料均勻混合后，先將原料在2Mpa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在20MPa、1700℃、保溫時(shí)間1小時(shí)、氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。其余同實(shí)施例1。
由上述工藝制備的氮化硅陶瓷三點(diǎn)抗折強(qiáng)度σb為1127MPa、斷裂韌性KIC達(dá)6.68MPa·m1/2左右、硬度Hv達(dá)19.74GPa。其斷口形貌如圖2(b)所示。
實(shí)施例3將含有5wt％燒結(jié)助劑氮化硅鎂的α-Si3N4粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在13MPa、1700℃、保溫時(shí)間1小時(shí)、氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。由上述工藝制備的氮化硅陶瓷三點(diǎn)抗折強(qiáng)度σb為889MPa、斷裂韌性KIC達(dá)7.46MPa·m1/2左右、硬度Hv達(dá)19.23GPa。XRD結(jié)果表明其主晶相為β-Si3N4，還有少量的α-Si3N4，如圖3所示。
實(shí)施例4將含有2.5wt％燒結(jié)助劑氮化硅鎂些粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在20MPa、1600℃、保溫時(shí)間1小時(shí)、氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。
由上述工藝制備的氮化硅陶瓷三點(diǎn)抗折強(qiáng)度σb為616MPa、斷裂韌性KIC達(dá)5.32MPa·m1/2左右、硬度Hv達(dá)22.36GPa。XRD結(jié)果表明其主晶相為β-Si3N4，還有較多的α-Si3N4，如圖4所示。本實(shí)施例的Hv較前三個(gè)實(shí)施例高，而燒結(jié)溫度又較前三個(gè)實(shí)施例低，其原因在于在低溫?zé)Y(jié)時(shí)相當(dāng)一部分α-Si3N4尚未全部轉(zhuǎn)化成β-Si3N4。
實(shí)施例5
將含有5wt％燒結(jié)助劑氮化硅鎂的粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在20MPa、1650℃、保溫時(shí)間3小時(shí)、氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。
由上述工藝制備的氮化硅陶瓷三點(diǎn)抗折強(qiáng)度σb為1190MPa、斷裂韌性KIC達(dá)6.94MPa·m1/2左右、硬度Hv達(dá)22GPa。XRD結(jié)果表明其主晶相為β-Si3N4，還有較多的α-Si3N4。
實(shí)施例6將含有3wt％燒結(jié)助劑氮化硅鎂的粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓下成型，然后裝入石墨模具中，在20MPa、1650℃、保溫時(shí)間5小時(shí)、氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。
由上述工藝制備的氮化硅陶瓷三點(diǎn)抗折強(qiáng)度σb為1251MPa、斷裂韌性KIC達(dá)7.40MPa·m1/2左右、硬度Hv達(dá)21GPa。
實(shí)施例7將含有5wt％燒結(jié)助劑氮化硅鎂的粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在30MPa、1650℃、保溫時(shí)間1小時(shí)、氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。
由上述工藝制備的氮化硅陶瓷三點(diǎn)抗折強(qiáng)度σb為1198MPa、斷裂韌性KIC達(dá)6.46MPa·m1/2左右、硬度Hv達(dá)21.85GPa。
實(shí)施例8將含有9wt％燒結(jié)助劑氮化硅鎂的粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在20MPa、1650℃、保溫時(shí)間1小時(shí)、氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下熱壓燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻至室溫。
由上述工藝制備的氮化硅陶瓷三點(diǎn)抗折強(qiáng)度σb為1203MPa、斷裂韌性KIC達(dá)7.05MPa·m1/2左右、硬度Hv達(dá)20.79GPa。
從上述八個(gè)實(shí)施方案可以看出，本發(fā)明采用MgSiN2粉體作為β-Si3N4陶瓷制備的燒結(jié)助劑，并通過熱壓燒結(jié)的方法，獲得了高硬度、高強(qiáng)度、高斷裂韌性的氮化硅陶瓷。
權(quán)利要求
1.一種高硬度Si3N4陶瓷的低溫?zé)Y(jié)方法，包括配料、混合、成型和燒結(jié)，其特征在于(1)以α-Si3N4和MgSiN2為起始原料，兩者重量比例為100∶10-2；(2)將上述步驟(1)含有燒結(jié)助劑的粉料均勻混合后，先將原料在2MPa壓力下成型，然后裝入石墨模具中，在10-30MPa、1600℃-1700℃、保溫時(shí)間1-5小時(shí)、氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，且隨爐冷卻至室溫。
2.按權(quán)利要求1所述的高硬度Si3N4陶瓷的低溫?zé)Y(jié)方法，其特征在于所述的α-Si3N4粉的α相含量＞83wt％，粒徑為0.3-30μm。
3.按權(quán)利要求1所述的高硬度Si3N4陶瓷的低溫?zé)Y(jié)方法，其特征在于所述的MgSiN2粉體純度＞98wt％，粒徑為0.3-30μm。
全文摘要
一種采用氮化硅鎂(MgSiN
文檔編號(hào)C04B35/584GK1654430SQ200510023369
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2005年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者彭桂花, 江國健, 李文蘭, 張寶林, 莊漢銳, 徐素英 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所