氮化硅陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及氮化硅陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)陶瓷以其高硬度、低密度、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛研 究和應(yīng)用，主要應(yīng)用在高溫、腐蝕、強(qiáng)磨損等極端環(huán)境和一些電子元器件上，例如陶瓷發(fā)動(dòng) 機(jī)渦輪、鑄鋁坩堝、刀具、軸承球、散熱基板等。但是，陶瓷材料的脆性極大的限制了其在這 些領(lǐng)域中的應(yīng)用。近幾十年的研究，通過多種方式對(duì)其增韌，例如顆粒彌散增韌、相變?cè)鲰g、 晶須增韌、自增韌等，一定程度上提高了陶瓷的韌性，但是依然存在韌性不足和成本過高的 問題。在現(xiàn)有對(duì)氮化硅（Si3N4)陶瓷的改性方法中，通常只能單一的改善氮化硅陶瓷的某一 方面性能，如單一的改善其力學(xué)性能或熱學(xué)性能或耐磨性能，無法同時(shí)提高氮化硅的綜合 性能。而且這種性能的改善，是以犧牲別的性能為代價(jià)。如美國(guó)專利US8652981B2公開了 一種利用金屬氧化物和復(fù)合稀土提高氮化硅陶瓷的力學(xué)性能和熱學(xué)性能的方法，但其耐磨 性能并未得到改善。而美國(guó)專利US7056850公開了一種利用稀土和耐磨添加劑提高氮化硅 陶瓷的耐磨性能和抗彎強(qiáng)度的方法，但是該方法的代價(jià)是無法獲得高的斷裂韌性和高熱導(dǎo) 率。在很多的應(yīng)用中，要求氮化硅陶瓷不僅具有優(yōu)異的機(jī)械性能，而且要有優(yōu)異的物理、化 學(xué)和高溫性能；也就是說，要有優(yōu)異的綜合性能，以滿足苛刻的應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種同時(shí)具有高韌性、高導(dǎo)熱性和高耐磨性的氮 化硅（Si3N4)陶瓷以及制備該種氮化硅陶瓷的方法。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0005] -種氮化娃陶瓷，由以下重量份額的各組分制成：α相氮化娃粉體75-98. 5份，金 屬氧化物〇. 5-5份，稀土氧化物混合體1-15份，β相氮化娃晶體0-5份，耐磨添加劑0-5 份。
[0006] 優(yōu)選的，所述各組分的重量份額為：α相氮化娃粉體75-98. 5份，金屬氧化物 0. 5-5份，稀土氧化物混合體1-15份，β相氮化娃晶體1. 5-2. 5份，耐磨添加劑0-5份。
[0007] 所述稀土氧化物混合體為 Yb203、Lu203、Sc20 3、Y203、La203、Ce 203、Pr203、Nd20 3、Pm203、 Sm203、Eu203、Gd20 3、Tb203、Dy203、H〇 203、Er2O3 和 Tm2O3 中的至少兩種。
[0008] 所述β相氮化硅晶體的直徑為〇· 5-1. 5 μ m，長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度/直徑）為2-5 ;其晶 體形貌如圖1所示。
[0009] 所述金屬氧化物為MgO、A1203、CaO和SiO 2中的至少一種。
[0010] 所述耐磨添加劑為 TiN、TiC、Ti (C，N)、Ti02、TiB2、SiC、Zr02、Hf02、TaC 和 TaN 中的 至少一種。
[0011] 以上所述氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
[0012] Sl混料：根據(jù)以上所述的重量份額比，分別稱取各組分，然后將各組分加入有機(jī) 溶劑中并混合均勻，得漿料；所述各組分的總質(zhì)量與有機(jī)溶劑的質(zhì)量之比為1:1-5 ;優(yōu)選 的，所述有機(jī)溶劑為無水乙醇或無水丙酮。
[0013] S2干燥：將漿料干燥至漿料中有機(jī)溶劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)等于或小于2%，得混合粉 體；
[0014] S3成型：對(duì)混合粉體依次進(jìn)行干壓成型和冷等靜壓成型，得生坯；
[0015] S4燒結(jié)：生坯在氮?dú)庵谢蛟跉錃馀c氮?dú)獾幕旌蠚怏w（氫氣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)低于 10%)中或在氬氣中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500-2300°c，燒結(jié)時(shí)間為30-280min，得氮化硅 陶瓷。
[0016] 所述燒結(jié)方式為無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)或其他可以致密氮 化硅陶瓷的燒結(jié)方法，例如場(chǎng)輔助燒結(jié)（如放電等離子燒結(jié)SPS)。優(yōu)選的燒結(jié)方式是無壓 燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)。優(yōu)選的燒結(jié)溫度為1700-1900°C，燒結(jié)時(shí)間為 60-120min〇
[0017] 以上所述氮化硅陶瓷用于制造金屬切削刀具、散熱基板、軸承球、鑄鋁坩堝或陶瓷 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過在氮化硅中加入稀土氧化物 混合體，可有效優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，從而顯著提高氮化硅陶瓷的韌性、強(qiáng)度和導(dǎo)熱性；再加入β 相氮化硅晶體，增強(qiáng)氮化硅晶粒的雙峰分布結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高氮化硅陶瓷的韌性、強(qiáng)度和導(dǎo) 熱性；再同時(shí)加入耐磨添加劑，不僅可顯著提高氮化硅陶瓷的耐磨性，且不會(huì)影響氮化硅陶 瓷的韌性、強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，使氮化硅陶瓷同時(shí)具有高韌性、高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率和高耐磨性。通 過本發(fā)明方法制備的氮化硅陶瓷的韌性可高達(dá)11. 85MPa ·m1/2,抗彎強(qiáng)度高達(dá)950MPa，熱導(dǎo) 率高達(dá)75W·!!!1 ·Κ\磨損壽命超過400h，可應(yīng)用于氮化硅陶瓷刀具、軸承球、散熱基板/電 路板或其它耐磨耐高溫的關(guān)鍵零部件。
【附圖說明】
[0019] 圖1為SEM照片顯示的β -Si3N4晶體形貌圖；
[0020] 圖2為實(shí)施例1制備的氮化硅陶瓷經(jīng)等離子蝕刻后的微觀結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 為了更充分理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作 進(jìn)一步介紹和說明。
[0022] 實(shí)施例1-4的氮化硅陶瓷的制備方法如下：
[0023] (1)混料：將金屬氧化物、稀土氧化物混合體和耐磨添加劑（若使用耐磨添加劑 時(shí)）加入無水乙醇中；然后超聲（功率為200-1000W，頻率為20-60ΚΗΖ)分散IOmin ;接著向 混合物中加入質(zhì)量為金屬氧化物、稀土氧化物混合體和耐磨添加劑總質(zhì)量3倍的氮化硅研 磨球，球磨2h;繼續(xù)向混合物中加入α相氮化硅粉體，然后超聲（功率為200-1000?，頻率 為20-60ΚΗΖ)分散lOmin，再球磨12h。若添加 β相氮化硅晶體，此時(shí)繼續(xù)向混合物中加入 β相氮化硅晶體，繼續(xù)球磨2h。使各組分充分混合均勻，得漿料。無水乙醇的質(zhì)量是制備 氮化硅陶瓷的各組分總質(zhì)量的1-5倍。實(shí)施例中各組分的用量如下表1所示。（在其它實(shí) 施方案中可用無水丙酮作為有機(jī)溶劑替代無水乙醇。）
[0024] (2)干燥：將漿料放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，并于60°C下蒸除漿料中的有機(jī)溶劑，至漿料 中有機(jī)溶劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)等于或小于2%，得混合粉體。然后將混合粉體過60目篩并收集 粒徑等于或小于60目的混合粉體。
[0025] 此外，漿料也可通過噴霧造粒塔進(jìn)行離心式霧化干燥，進(jìn)風(fēng)溫度150_160°C，出風(fēng) 溫度為75-80°C，至漿料中有機(jī)溶劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)等于或小于2%。
[0026] (3)成型：將混合粉體利用鋼模干壓成型，壓力為5_50MPa，獲得相應(yīng)形狀的塊體； 再經(jīng)過冷等靜壓成型，壓力為50-500MPa，得生坯。
[0027] (4)燒結(jié)：將生坯置于氮?dú)庵谢蛑糜跉錃馀c氮?dú)獾幕旌蠚怏w（氫氣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù) 低于10% )中或置于氬氣中進(jìn)行燒結(jié)，得氮化硅陶瓷。燒結(jié)方式可以采用無壓燒結(jié)、熱壓燒 結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)或場(chǎng)輔助燒結(jié)（如放電等離子燒結(jié)SPS)等任何可以致密氮化 硅陶瓷的燒結(jié)方法。各實(shí)施例的成型工序和燒結(jié)工序的參數(shù)如下表2所示。
[0028] 無壓燒結(jié)工藝：燒結(jié)溫度為1500-2300°C，保溫時(shí)間為30-280min。
[0029] 熱壓燒結(jié)工藝：燒結(jié)溫度為1500-2300°C，保溫時(shí)間為30-280min，燒結(jié)壓力為 IOMPa及以上。
[0030] 氣壓燒結(jié)工藝：燒結(jié)溫度為1500-2300°C，保溫時(shí)間為30-280min，燒結(jié)氣壓為 IOMPa及以下。
[0031] 熱等靜壓燒結(jié)工藝：燒結(jié)溫度為1500-230(TC，保溫時(shí)間為30-280min，燒結(jié)氣壓 為50MPa及以上。
[0032] 表1實(shí)施例1-4中各組分的用量
[0034] (表1中β -Si3N4是直徑為0· 5-1. 5 μ m，長(zhǎng)徑比為2-5的晶體。）
[0035] 表2實(shí)施例1-4中成型工序和燒結(jié)工序的工藝參數(shù)
[0036]
[0037] 實(shí)施例5
[0038] 本實(shí)施例與實(shí)施例4相比，不同之處在于：將由5. 56gYb203和5. 56gLa203組成的 稀土氧化物混合體改為11. 12g的Yb2O3。其它組分和用量，以及制備的方法完全相同。
[0039] 以上實(shí)施例1-5均采用熱壓燒結(jié)的方式進(jìn)行燒結(jié)，在其它實(shí)施方案中還可以采用 以上所述的無壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等方式進(jìn)行燒結(jié)。
[0040] 用金剛石工具分別對(duì)實(shí)施例1-5所制得的氮化硅陶瓷進(jìn)行加工，用各實(shí)施例的