專利名稱：透紅外α－sialon陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于透紅外線陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種透紅外α-sialon材料及其制備工藝。
背景技術(shù)：
sialon(塞隆)自發(fā)現(xiàn)以來一直被當(dāng)作使用溫度可達(dá)1500℃的高溫結(jié)構(gòu)材料而獲得持續(xù)的經(jīng)費支持。其中自韌化α-sialon陶瓷具有易致密、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐磨、抗氧化等特點，兼有優(yōu)異的常溫和高溫力學(xué)性能，在航空、航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
研究已發(fā)現(xiàn)sialon陶瓷具有優(yōu)良的光學(xué)性能[J Mater Res 1996 11(11)2790～2794；J Mater Sci Lett 1982 1 25～26]，0.5～1.0mm厚度的致密試樣能夠清晰地將置于下面的文字反映上來；Sialon陶瓷添加不同的稀土元素呈現(xiàn)出五彩繽紛的顏色；當(dāng)受X射線或紫外線照射時，有熒光、閃爍效果。這些現(xiàn)象表明α-sialon陶瓷在光學(xué)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。與現(xiàn)有的光學(xué)材料相比，α-sialon還具有(1)更好的室溫和高溫力學(xué)性能，硬度高；(2)抗磨擦磨損能力優(yōu)越；(3)耐熱、抗熱震；(4)具有更好的抗氧化性；(5)具有更寬的透光范圍(及豐富的顏色)等特征，因此它不但能在常溫下使用，更能用作高溫、極端條件下的紅外窗口、透鏡材料，以及其他用途的光功能材料。與BAS-Si3N4復(fù)合材料[US6184164-B1；US5538925-A；US7982535-N；WO200064835-A]類比，可預(yù)見其在高超音速導(dǎo)彈天線罩、微波及紅外探測器窗口等方面有潛在的應(yīng)用價值。
國際范圍內(nèi)關(guān)于α-sialon透光性能的公開報道非常少。Mandal等[J EuroCeram Soc 1999 19 2949～2957]制備了具有一定透光能力的Nd2O3和Yb2O3穩(wěn)定的α-sialon陶瓷，但未對透光率進(jìn)行定量研究。Jones等[J Am Ceram Soc 2003 86(3)520～522；J Am Ceram So.200487(4)714～716]發(fā)現(xiàn)α/β-sialon陶瓷最高有30％透光率；采用熱壓燒結(jié)方法制備的全致密無晶界相均勻組織Lu-α-sialon陶瓷材料，對于600nm的可見光透過率大約70％。國內(nèi)上海硅酸鹽研究所的蘇新祿博士[J Am Ceram Soc 2004 87 730～732；Mater Letters 2004 58 1985～1988]研究了熱壓和等離子燒結(jié)Y、Eu、Dy、Yb等α-sialon陶瓷的透光性能，最好的Dy-α-sialon陶瓷在紅外波段有65％的透光率。根據(jù)光學(xué)原理，晶間相是影響多晶陶瓷透光性能的重要因素。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高α-sialon陶瓷的透光性能，降低晶間相對多晶陶瓷透光性能的影響，本發(fā)明提供一種高硬度、抗磨、耐高溫的透紅外α-sialon陶瓷材料及其制備方法。
本發(fā)明的透紅外α-sialon陶瓷材料的分子式為Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n，式中m＝1，0.5＜n＜2，Re為稀土元素，其制備方法為a、配料采用Si3N4、AlN、Al2O3、Re2O3粉末為原料，按分子式為Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n配料；b、燒結(jié)采用熱壓燒結(jié)工藝制備透光α-sialon材料，升溫前爐腔抽真空，充入純度大于99.9％的N2到一個大氣壓，控制升溫速度為5～50℃/min、燒結(jié)溫度為1800～1900℃、軸向壓力為20～40MPa、燒結(jié)時間為30～90min；c、氮化對材料進(jìn)行高溫氮化處理，處理工藝為2.0～4.0MPa、N2氣氛中1800～1900℃保溫，氮化結(jié)束后在1200℃以上溫度區(qū)間控制降溫。
本發(fā)明將α-sialon成分調(diào)節(jié)到α-β相界，最大限度地降低了晶間相含量，然后通過添加少量的稀土氧化物促進(jìn)致密化，實現(xiàn)了材料致密及晶間相含量的控制，采用熱壓燒結(jié)工藝制備了透光的α-sialon陶瓷。
本發(fā)明的有益效果是(1)調(diào)節(jié)成分到α-β相邊界，得到了物相單一的α-sialon陶瓷，XRD物相分析結(jié)果如圖1-3所示；(2)通過添加超量2wt％的Re2O3及采用熱壓燒結(jié)工藝等手段實現(xiàn)了成分為Re1/3Si10Al2ON15的α-sialon陶瓷材料的全致密；(3)通過后繼氮化處理促使晶間雜質(zhì)進(jìn)一步地擴(kuò)散揮發(fā)，降低了影響透光率的晶間相含量，如圖8之Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料的TEM組織所示；(4)低成本合成了滿足飛航導(dǎo)彈制導(dǎo)窗口使用條件的α-sialon陶瓷。采用該方法制備的厚度為1.0mm的α-sialon材料在200-3000nm波長光線的透光率曲線及Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料透過可見光的實物照片見圖4-7；(5)是一種高硬度、耐劃擦、耐高溫的光學(xué)材料，基本力學(xué)性能如附表1所示。
表1 透光Re1/3Si10Al2ON15-2wt％Re2O3-α-sialon的力學(xué)性能




圖1為Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3材料的XRD圖譜，圖2為Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料的XRD圖譜，圖3為Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料的XRD圖譜，圖4為Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3材料對200-3000nm波長光線的透光率，圖5為Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料對200-3000nm波長光線的透光率，圖6為Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料對200-3000nm波長光線的透光率，圖7厚度為1.0mm的Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料透過可見光的實物照片，圖8為Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料的TEM組織照片。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式的透紅外α-sialon陶瓷材料的分子式為Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n，式中m＝1，0.5＜n＜2，Re為稀土元素(Y、Yb、Dy、Lu及其它α-sialon穩(wěn)定劑)。
具體實施例方式
二本實施方式按照如下方法制備透紅外α-sialon陶瓷材料a、按分子式Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n對α-sialon配料，采用Si3N4、AlN、Al2O3、Re2O3粉末為原料，將上述物質(zhì)混合。
b、采用熱壓燒結(jié)工藝制備透光α-sialon材料，燒結(jié)條件為(1800-1900℃)/(20-40MPa軸向壓力)/(30～90min)。升溫前爐腔抽真空，充入純度大于99.9％的N2到一個大氣壓，升溫速度為5～50℃/min。
c、對材料進(jìn)行高溫氮化處理，工藝為2.0～4.0MPaN2氣氛中1800-1900℃保溫，保溫時間(單位，min)與產(chǎn)品厚度(單位，mm)成正比，為產(chǎn)品厚度的15-30倍數(shù)，氮化結(jié)束后在1200℃以上溫度區(qū)間降溫，控制降溫速度不小于50℃/min。
具體實施例方式
三本實施方式與具體實施方式
二不同的是，步驟a中的原料中還加入有助燒劑(Re2O3)，其加入量為Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n重量的0.1～10％。添加少量的稀土氧化物可以促進(jìn)致密化，實現(xiàn)材料致密及晶間相含量的控制。
具體實施例方式
四本實施方式按照下述步驟制備Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3材料一、取Si3N4(規(guī)格及產(chǎn)地E10 grade，UBE Industries Ltd.，Tokyo，Japan)78.05克、AlN(規(guī)格及產(chǎn)地grade C，H.C.Starck，Berlin，Germany)13.27克、Al2O3(規(guī)格及產(chǎn)地grade A16SG，Alcoa，Pittsburgh，PA)0.47克、Y2O3(規(guī)格及產(chǎn)地gradefine，H.C.Starck，Berlin，Germany)8.21克，放入聚氯乙烯罐內(nèi)，加入適量異丙醇和氮化硅陶瓷球，球磨混合12～15小時。
二、混合漿料倒入敞口容器，放入100℃烘箱干燥60分鐘，20目網(wǎng)篩篩分、造粒。
三、采用熱壓燒結(jié)工藝制備透光Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3材料，工藝過程為粉末取混合粉末40克裝入Φ50mm的石墨模具，入爐；爐腔抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入純度大于99.9％的氮氣到1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；燒結(jié)條件為1800℃/25MPa/60min，升溫速度為20℃/min；燒結(jié)完成后停止加熱，隨爐冷卻。
四、燒結(jié)體脫模后磨去表面污染層，放入氣壓爐氮化處理，具體工藝過程為氣壓爐抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入純度大于99.9％的氮氣到2.0MPa，1850℃保溫60min，關(guān)掉加熱電源，在1200℃以上保證大于50℃/min冷卻速度爐冷至室溫。
采用熱壓燒結(jié)工藝獲得了致密度大于99.5％的成分為Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3的單一相α-sialon材料，氮化處理后重量減輕0.2％，致密度不降低，物相構(gòu)成不發(fā)生變化。
在200-3000nm測試范圍內(nèi)，隨著波長的增加，厚度為1.0mm的材料透光率呈不斷增大的趨勢，當(dāng)波長達(dá)到3000nm時，樣品的透過率達(dá)到52％。
具體實施例方式
五本實施方式按照下述步驟制備Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料一、取Si3N4(規(guī)格及產(chǎn)地E10 grade，UBE Industries Ltd.，Tokyo，Japan)74.93克、AlN(規(guī)格及產(chǎn)地grade C，H.C.Starck，Berlin，Germany)12.74克、Al2O3(規(guī)格及產(chǎn)地grade A16SG，Alcoa，Pittsburgh，PA)0.45克、Dy2O3(規(guī)格及產(chǎn)地gradefine，H.C.Starck，Berlin，Germany)11.87克，放入聚氯乙烯罐內(nèi)，加入適量異丙醇和氮化硅陶瓷球，球磨混合12～15小時。
二、混合漿料倒入敞口容器，放入100℃烘箱干燥60分鐘，20目網(wǎng)篩篩分、造粒。
三、采用熱壓燒結(jié)工藝制備透光Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料，工藝過程為粉末取混合粉末40克裝入Φ50mm的石墨模具，入爐；爐腔抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入純度大于99.9％的氮氣到1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；燒結(jié)制度為1800℃/25MPa/60min，升溫速度以20℃/min；燒結(jié)完成后停止加熱，隨爐冷卻。
四、燒結(jié)體脫模后磨去表面污染層，放入氣壓爐氮化處理，具體工藝過程為氣壓爐抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入純度大于99.9％的氮氣到2.0MPa，1850℃保溫60min，關(guān)掉加熱電源，在1200℃以上保證大于50℃/min冷卻速度爐冷至室溫。
采用熱壓燒結(jié)工藝獲得了致密度大于99.7％的成分為Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3的單一相α-sialon材料，氮化處理后重量減輕0.2％，致密度不降低，物相構(gòu)成不發(fā)生變化。
在200-3000nm測試范圍內(nèi)，隨著波長的增加，厚度為1.0mm的材料透光率呈不斷增大的趨勢，在1900-2500nm波段樣品的透過率達(dá)到50％。
具體實施例方式
六本實施方式按照下述步驟制備Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料一、取Si3N4(規(guī)格及產(chǎn)地E10 grade，UBE Industries Ltd.，Tokyo，Japan)74.51克、AlN(規(guī)格及產(chǎn)地grade C，H.C.Starck，Berlin，Germany)12.67克、Al2O3(規(guī)格及產(chǎn)地grade A16SG，Alcoa，Pittsburgh，PA)0.45克、Yb2O3(規(guī)格及產(chǎn)地gradefine，H.C.Starck，Berlin，Germany)12.37克，放入聚氯乙烯罐內(nèi)，加入適量異丙醇和氮化硅陶瓷球，球磨混合12～15小時。
二、混合漿料倒入敞口容器，放入100℃烘箱干燥60分鐘，20目網(wǎng)篩篩分、造粒。
三、采用熱壓燒結(jié)工藝制備透光Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料，工藝過程為粉末取混合粉末40克裝入Φ50的石磨模具，入爐；爐腔抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入純度大于99.9％的氮氣到1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；燒結(jié)條件為1800℃/25MPa/60min，升溫速度為20℃/min；燒結(jié)完成后停止加熱，隨爐冷卻。
四、燒結(jié)體脫模后磨去表面污染層，放入氣壓爐氮化處理，具體工藝過程為氣壓爐抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入純度大于99.9％的氮氣到2.0MPa，1850℃保溫60min，關(guān)掉加熱電源，在1200℃以上保證大于50℃/min冷卻速度爐冷至室溫。
采用熱壓燒結(jié)工藝獲得了致密度大于99.6％的成分為Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3的單一相α-sialon材料，氮化處理后重量減輕0.2％，致密度不降低，物相構(gòu)成不發(fā)生變化。
在200-3000nm測試范圍內(nèi)，隨著波長的增加，厚度為1.0mm的材料透光率呈不斷增大的趨勢，波長大于1100nm的紅外光透過率數(shù)值一直在42％以上，2000-3000nm波段范圍內(nèi)，透過率大于60％。
權(quán)利要求
1.一種透紅外α-sialon陶瓷材料，其特征在于所述α-sialon陶瓷材料的分子式為Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n，式中m＝1，0.5＜n＜2，Re為稀土元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透紅外α-sialon陶瓷材料，其特征在于所述α-sialon陶瓷材料的分子式為Y1/3Si10Al2ON15。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透紅外α-sialon陶瓷材料，其特征在于所述α-sialon陶瓷材料的分子式為Dy1/3Si10Al2ON15。
4.一種權(quán)利要求1所述透紅外α-sialon陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述方法為a、配料采用Si3N4、AlN、Al2O3、Re2O3粉末為原料，按分子式為Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n配料；b、燒結(jié)采用熱壓燒結(jié)工藝制備透光α-sialon材料，升溫前爐腔抽真空，充入純度大于99.9％的N2到一個大氣壓，控制升溫速度為5～50℃/min、燒結(jié)溫度為1800～1900℃、軸向壓力為20～40MPa、燒結(jié)時間為30～90min；c、氮化對材料進(jìn)行高溫氮化處理，處理工藝為2.0～4.0MPa、N2氣氛中1800～1900℃保溫，氮化結(jié)束后在1200℃以上溫度區(qū)間控制降溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透紅外α-sialon陶瓷材料的制備方法，其特征在于降溫速度不小于50℃/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透紅外α-sialon陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟a中的原料中還加入有助燒劑，其加入量為Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n重量的0.1～10％。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透紅外α-sialon陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述助燒劑為Re2O3。
全文摘要
透紅外α－sialon陶瓷材料及其制備方法，屬于透紅外線陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。為了提高α－sialon陶瓷的透光性能，降低晶間相對多晶陶瓷透光性能的影響，本發(fā)明的α－sialon陶瓷材料的分子式為Re
文檔編號C04B35/622GK1915907SQ20061001050
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月6日
發(fā)明者葉楓, 劉利盟 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)