一種制備Sialon陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種制備Sialon陶瓷的方法，通過(guò)混料、注模、冷凍、干燥和燒結(jié)等步驟制備Sialon陶瓷。本發(fā)明將所需氮化硅、氮化鋁、氧化釔等陶瓷粉體和二氧化硅溶膠球磨混合，漿料經(jīng)脫氣處理后注入模具，轉(zhuǎn)移至液氮中冷凍凝膠，脫模后所得濕坯在常壓下干燥，最后在燒結(jié)爐中高溫?zé)Y(jié)，即得到Sialon陶瓷材料。整套工藝簡(jiǎn)單，周期短，成本低，重復(fù)性好，材料性能穩(wěn)定。
【專利說(shuō)明】-種制備Sialon陶瓷的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種制備Sialon陶瓷的方法，屬于特種、功能、結(jié)構(gòu)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] Sialon陶瓷是Si_Al-〇-N和相關(guān)體系中氣化娃固溶體的總稱，是一種寬范圍的固 溶體材料，通過(guò)調(diào)整固溶體的組分比例，按預(yù)定的性能進(jìn)行成分設(shè)計(jì)而滿足各種使用要求， 形成了一個(gè)材料體系。Sialon陶瓷具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐熱沖擊性、高溫強(qiáng)度、電絕緣強(qiáng) 度、化學(xué)穩(wěn)定性等性能，是一種優(yōu)異的高性能陶瓷材料，在耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械制造、航空 航天等高【技術(shù)領(lǐng)域】得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] Sialon陶瓷可采用干壓、等靜壓、注漿、注凝等多種工藝方法成型。其中，干壓和等 靜壓成型工藝簡(jiǎn)便，但只能成型厚度小、形狀簡(jiǎn)單的制品，難以應(yīng)用于大尺寸或較復(fù)雜形狀 制品的成型；注漿成型可制備復(fù)雜形狀的Sialon陶瓷制品，但其往往需要一周甚至更長(zhǎng)的 成型、干燥時(shí)間，對(duì)環(huán)境溫度和濕度的要求也較為苛刻，且坯體強(qiáng)度低，燒結(jié)過(guò)程中形變顯 著；注凝成型是在注漿工藝中引入適量的有機(jī)凝膠發(fā)展而來(lái)的，可制備大尺寸、復(fù)雜形狀的 Sialon陶瓷制品，坯體強(qiáng)度很高，但燒結(jié)前需要較長(zhǎng)時(shí)間的排膠，有機(jī)物的裂解和排出過(guò)程 容易引入雜質(zhì)以及氣孔、微裂紋等缺陷，同時(shí)工藝過(guò)程中所使用的有機(jī)單體對(duì)人體有害。上 述成型工藝的不足影響了 Sialon陶瓷性能的穩(wěn)定性，在制備大尺寸、復(fù)雜形狀Sialon陶瓷 方面工藝重復(fù)性差，成品率低，限制了 Sialon陶瓷制品的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
[0004] 專利"一種多孔β -SiAlON陶瓷的制備方法（專利申請(qǐng)?zhí)枺?01210341253. 6) "提 到了一種低溫冷凍、真空干燥的成型工藝（簡(jiǎn)稱為冷凍干燥成型工藝），利用有機(jī)添加劑在 低溫下凝固的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)漿料的固化，漿料在低溫冷凍后成為固態(tài)，升溫到介質(zhì)熔點(diǎn)以上后 凝固的有機(jī)添加劑會(huì)融化，使固化的漿料重新獲得流動(dòng)性或觸變性，因此，干燥過(guò)程必須及 時(shí)在負(fù)壓或真空條件下進(jìn)行，需要使用專門的干燥設(shè)備，并且需要控制溫度（-i°c?rc) 使崁烯能夠揮發(fā)，同時(shí)又不能融化和再結(jié)晶。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種無(wú)有機(jī)添加劑、無(wú)需特殊成型 設(shè)備、常溫常壓干燥狀態(tài)下制備各種尺寸和形狀的Sialon陶瓷材料的方法，實(shí)現(xiàn)了近凈成 型，降低了 Sialon陶瓷的研制和生產(chǎn)成本。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種制備Sialon陶瓷的方法，包括以下步驟：
[0007] 第一步，制備陶瓷漿料，
[0008] 將陶瓷粉體加入二氧化硅溶膠中，球磨均勻得到陶瓷漿料；
[0009] 陶瓷粉體包括氮化鋁粉體和燒結(jié)助劑；燒結(jié)助劑可選用氧化釔或/和氧化鐿。燒 結(jié)助劑的添加量為本領(lǐng)域公知技術(shù)，一般為原料（去除二氧化硅溶膠中水分）中的質(zhì)量分 數(shù)為1?15%，具體可根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行選擇。
[0010] 陶瓷漿料中氮元素、硅元素和鋁元素比例滿足mol (Si) : mol (Al) : mol (N)= (6-x) : x : (8-x)，xe [1.7,4]，二氧化硅溶膠的固相體積含量一般為10?25%，在滿 足上式比例范圍的情況下，可以根據(jù)選取的二氧化硅溶膠和氮化鋁粉體的量，在陶瓷粉體 中加入氮化硅粉體和/或二氧化硅粉體。
[0011] 氮化硅粉體粒徑為0.40?1.00微米，純度為99. 9%，其中α相含量不小于93%; 氮化鋁粉體粒徑為0. 50?6. 00微米，純度為98. 5 % ;二氧化硅粉體粒徑為0. 50?20. 00 微米，純度為98%。
[0012] 球磨時(shí)間一般為10?60分鐘，以陶瓷粉體在二氧化硅溶膠中分散均勻?yàn)闇?zhǔn)。制 備得到的陶瓷漿料中的固相體積分?jǐn)?shù)為35?70%。
[0013] 第二步，陶瓷漿料脫氣后注模后，進(jìn)行低溫冷凍；
[0014] 陶瓷漿料脫氣5?15分鐘后再注入模具，具體時(shí)間選擇為本領(lǐng)域公知技術(shù)，在實(shí) 際中可自行選擇。在液氮中靜置5?60分鐘，使?jié){料完全冷凍為固體，具體時(shí)間應(yīng)根據(jù)制 品大小，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。
[0015] 本發(fā)明不需要添加任何有機(jī)物，利用的是硅溶膠在低溫下冷凍可凝膠固化的性 質(zhì)，而且硅溶膠本身就是目標(biāo)產(chǎn)物的一種原材料。硅溶膠的冷凍凝膠過(guò)程是不可逆的，一旦 冷凍，坯體就已經(jīng)成型，升溫后不會(huì)融化，不會(huì)融化和變形，干燥時(shí)只要具備水分揮發(fā)的條 件即可，其干燥過(guò)程在常壓下完成，不需要真空條件，也不需要嚴(yán)格控制干燥溫度。低溫冷 凍溫度為< -40°C，一般可采用液氮或其他冷凍形式。
[0016] 本發(fā)明原理：本發(fā)明利用冷凍凝膠將陶瓷漿料低溫冷凍后凝膠固化，其冷凍固化 時(shí)間僅需幾分鐘到幾十分鐘，再次升溫到冰點(diǎn)以上后所得陶瓷坯體仍將保持冷凍時(shí)的形狀 和尺寸，不會(huì)融化，因此，其干燥過(guò)程簡(jiǎn)單，沒(méi)有真空或壓力條件的限制，不需要冷凍干燥機(jī) 等設(shè)備，本發(fā)明具有顯著的技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)。
[0017] 第三步，脫模，得到陶瓷生坯；
[0018] 液氮中冷凍5?60分鐘后，在室溫下靜置，當(dāng)模具恢復(fù)到0°C以上后脫模，得到陶 瓷濕坯。操作過(guò)程中應(yīng)保持模具平穩(wěn)，避免強(qiáng)烈振動(dòng)，避免液氮與漿料直接接觸。
[0019] 第四步，陶瓷生坯在常壓下干燥；
[0020] 根據(jù)上述描述，本發(fā)明陶瓷生坯可在常壓下干燥，干燥溫度沒(méi)有嚴(yán)格的限制，可以 在常溫下干燥，也可以根據(jù)需要在1?l〇〇°C中任選溫度，干燥時(shí)間為2?48小時(shí)，根據(jù)干 燥溫度和陶瓷生坯的干燥程度進(jìn)行選擇。干燥過(guò)程中可通過(guò)升溫加快干燥速率，升溫速率 不應(yīng)超過(guò)2°C /分鐘，最高溫度不易超過(guò)100°C。
[0021] 第五步，燒結(jié)后得到Sialon陶瓷材料。
[0022] 將坯體放入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，然后隨爐冷卻，得到Sialon陶瓷材料。坯體的燒 結(jié)方式為無(wú)壓燒結(jié)、氣氛壓力燒結(jié)或熱壓燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為氮?dú)狻?br> [0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：
[0024] (1)本發(fā)明通過(guò)在硅溶膠上使用冷凍凝膠技術(shù)，利用硅溶膠（本身就是目標(biāo)產(chǎn)物 的一種原材料）在低溫下冷凍可凝膠固化的性質(zhì)，不需要添加任何有機(jī)物，且硅溶膠的冷 凍凝膠過(guò)程是不可逆的，一旦冷凍，坯體就已經(jīng)成型，升溫后不會(huì)融化，不會(huì)融化和變形，干 燥時(shí)只要具備水分揮發(fā)的條件即可，因此其干燥過(guò)程在常壓下完成，不需要真空條件，也不 需要嚴(yán)格控制干燥溫度；
[0025] (2)本發(fā)明采用冷凍凝膠工藝制備Sialon陶瓷材料及其制品，工藝簡(jiǎn)單、周期短， 成本低，操作方便；
[0026] (3)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)近凈成型，降低了 Sialon陶瓷的研制和生產(chǎn)成本；
[0027] (4)本發(fā)明成型的坯體強(qiáng)度高，均勻性好，可用于制備大尺寸、復(fù)雜形狀的Sialon 陶瓷制品；
[0028] (5)本發(fā)明的工藝過(guò)程中不需要添加任何有機(jī)物質(zhì)，不需要排膠，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成 污染；
[0029] (6)本發(fā)明可按照預(yù)定的性能進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整陶瓷漿料中各原料的比例 制備出滿足不同使用要求的Sialon陶瓷材料及其制品；
[0030] (7)本發(fā)明對(duì)于相關(guān)結(jié)構(gòu)、功能陶瓷材料的成型工藝研究均有借鑒意義。
[0031] 說(shuō)明書附圖
[0032] 圖1為本發(fā)明流程原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 本發(fā)明如圖1所示，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0034] 將所需氮化硅、氮化鋁、氧化釔、二氧化硅等陶瓷粉體和二氧化硅溶膠球磨混合， 漿料經(jīng)脫氣處理后注入模具，轉(zhuǎn)移至液氮中冷凍凝膠，脫模所得濕坯在常壓下干燥，最后在 燒結(jié)爐中高溫?zé)Y(jié)，即得到Sialon陶瓷材料，整套工藝簡(jiǎn)單，周期短，成本低，重復(fù)性好，材 料性能穩(wěn)定。
[0035] 實(shí)施例1
[0036] 稱取88. 96克氮化硅粉體，α相含量為93%，粒徑為0.40?0.60微米；稱取 81. 98克氮化鋁粉體，粒徑為0. 50?6. 00微米，純度為98. 5 %;稱取20克二氧化硅粉體，粒 徑為15微米，純度為98% ;稱取11克氧化釔粉體，粒徑為0. 6?0. 8微米，純度為99. 5% ; 量取80毫升二氧化硅溶膠，其固相含量為23% ;將上述粉體和溶膠混合，球磨30分鐘，所 得漿料在-〇. IMPa下攪拌5分鐘后注入模具，將模具轉(zhuǎn)移到液氮容器中，緩慢充入液氮，靜 置10分鐘，將模具取出，在室溫下靜置，當(dāng)模具恢復(fù)到〇°C以上后脫模，所得濕坯在室溫下 干燥48小時(shí)，放入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氮?dú)鈿夥障拢?780°C燒結(jié)2小時(shí)，隨爐冷卻到室溫，即 得到Sialon陶瓷材料。
[0037] 對(duì)本實(shí)施例制備得到的Sialon陶瓷材料，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T6569-2006測(cè)試彎曲強(qiáng)度 和彈性模量，參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2520-95測(cè)試介電常數(shù)和損耗角正切值，采用X射線光電子能 譜儀分析試樣新鮮斷口的元素組成，具體數(shù)據(jù)見表1。
[0038] 實(shí)施例2
[0039] 稱取131. 17克氮化鋁粉體，粒徑為0. 50?6. 00微米，純度為98. 5 %;稱取6克氧 化釔粉體，粒徑為〇. 6?0. 8微米，純度為99. 5 %;量取175毫升二氧化硅溶膠，其固相含量 為23% ;將上述粉體和溶膠混合，球磨30分鐘，所得漿料在-0. IMPa下攪拌5分鐘后注入 模具，將模具轉(zhuǎn)移到液氮容器中，緩慢充入液氮，靜置10分鐘，將模具取出，在室溫下靜置， 當(dāng)模具恢復(fù)到〇°C以上后脫模，所得濕坯在室溫下干燥48小時(shí)，放入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氮 氣氣氛下，1780°C燒結(jié)2小時(shí)，隨爐冷卻到室溫，即得到Sialon陶瓷材料。
[0040] 本實(shí)施例制備得到的Sialon陶瓷材料經(jīng)實(shí)施例1中所述的各項(xiàng)性能檢測(cè)，具體數(shù) 據(jù)見表1。
[0041] 實(shí)施例3
[0042] 稱取204. 6克氮化硅粉體，α相含量為93%，粒徑為0.40?0.60微米；稱取 83. 62克氮化鋁粉體，粒徑為0. 50?6. 00微米，純度為98. 5 %;稱取23. 5克氧化釔粉體，粒 徑為0. 6?0. 8微米，純度為99. 5% ;量取111. 44毫升二氧化硅溶膠，其固相含量為23% ; 將上述粉體和溶膠混合，球磨30分鐘，所得漿料在-0. IMPa下攪拌5分鐘后注入模具，將 模具轉(zhuǎn)移到液氮容器中，緩慢充入液氮，靜置10分鐘，將模具取出，在室溫下靜置，當(dāng)模具 恢復(fù)到0°C以上后脫模，所得濕坯在室溫下干燥48小時(shí)，放入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氮?dú)鈿夥?下，1780°C燒結(jié)2小時(shí)，隨爐冷卻到室溫，即得到Sialon陶瓷材料。
[0043] 本實(shí)施例制備得到的Sialon陶瓷材料經(jīng)實(shí)施例1中所述的各項(xiàng)性能檢測(cè)，具體數(shù) 據(jù)見表1。
[0044] 表 1
[0045]

【權(quán)利要求】
1. 一種制備Sialon陶瓷的方法，其特征在于包括以下步驟： 第一步，制備陶瓷漿料， 將陶瓷粉體加入二氧化硅溶膠中，球磨均勻得到陶瓷漿料； 第二步，陶瓷漿料脫氣后注模后，進(jìn)行低溫冷凍； 第三步，脫模，得到陶瓷生坯； 第四步，陶瓷生坯在常壓下干燥； 第五步，燒結(jié)后得到Sialon陶瓷材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第一步陶瓷 粉體包括氮化鋁粉體和燒結(jié)助劑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第一步陶瓷 粉體還包括氮化硅粉體和/或二氧化硅粉體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第一步陶 瓷漿料中氮元素、硅元素和鋁元素比例滿足mol (Si) : mol (Al) : mol (N) = (6-x) : X: (8-x), x e [1. 7,4] 〇
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第一步陶瓷 漿料中的固相體積分?jǐn)?shù)為35?70%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第二步在液 氮中靜置5?60分鐘。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第五步陶瓷 生述的干燥條件為常溫或1?l〇(TC,干燥時(shí)間為2?48小時(shí)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第二步低溫 冷凍溫度為彡_40°C。
【文檔編號(hào)】C04B35/599GK104108938SQ201410315550
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】王濤, 余娟麗, 呂毅, 郭世峰, 趙英民, 裴雨辰 申請(qǐng)人:航天特種材料及工藝技術(shù)研究所