一種等軸狀β-Si₃N₄+TiN+O′-Sialon復(fù)相陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種等軸狀β?Si3N4+TiN+O'?Sialon復(fù)相陶瓷材料及其制備方法，是引入TiO2溶膠作為Si粉氮化催化劑，原位生成納米TiN增強相，引入Re2O3?Al2O3?SiO2燒結(jié)助劑促進Si3N4燒結(jié)致密化，形成等軸狀β?Si3N4晶粒，并生成O'?Sialon。本發(fā)明的β?Si3N4+TiN+O'?Sialon復(fù)相陶瓷材料具有優(yōu)異的力學性能、高溫性能、抗氧化及抗腐蝕性能。
【專利說明】
一種等軸狀β-s i 3N4+T i N+07 -SiaI on復(fù)相陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及陶瓷材料領(lǐng)域，特別涉及一種等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Si3N4粉有兩種晶型，等軸狀的Q-Si3N4和長柱狀的P-Si3N4晶型。通常認為Q-Si3N4屬低溫穩(wěn)定晶型，P-Si3N4屬高溫穩(wěn)定晶型。C1-Si3N4到P-Si3N4的相變屬結(jié)構(gòu)重建，大約在1420°(:發(fā)生相變。由于FSi3N4特有的ABAB堆積的通孔結(jié)構(gòu)，這種β相具有長柱狀或針狀晶體形貌。Lange等(J.Am.Ceram.Soc.，62，1979,428-430)首次提出長柱狀^-Si3N4晶粒在細小晶粒Ct-Si3N4基體中析出可以提高材料的抗彎強度和斷裂韌性。β相比例越高，斷裂韌性越好，但強度有最大值，高長徑比的FSi3N4晶粒的存在可以提高強度和韌性，但FSi3N4晶粒長徑比太大即為異向生長，不利于材料力學性能提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，提供一種強度高、耐磨損性能好、耐高溫和抗氧化性能好的等軸狀i5-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供上述等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]一種等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法，是引入T12溶膠作為Si粉氮化催化劑，原位生成納米TiN增強相，引入Re2O3-Al2O3-S12燒結(jié)助劑促進Si3N4燒結(jié)致密化，形成等軸狀P_Si3N4晶粒，并生成O ’ -Sialon，具體包括下述步驟:
[0007](I)以Si粉為原料，以T12溶膠、Re2O3-Al2O3-S12為燒結(jié)助劑，按照Si: T12: Re2O3-Al2O3-S12質(zhì)量分數(shù)比為60?98%:1?10%:1?30%的配比，經(jīng)混料、干燥后，得到S1-1102-1^203-厶1203-3102混合粉體，其中1^為5。、￥、1^、06、？廣恥、？111、5111411、6(1、113、07、!10 4『、Tm、Yb或Lu中的任一種，所述Re2O3-Al2O3-S12中的Re2O3: Al2O3: S12質(zhì)量分數(shù)比為I?98%:I?98%:1 ?98% ；
[0008](2)將S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12混合粉體放入模具中進行干壓成型后，通過冷等靜壓成型獲得 S1-T i02_Re203_Al203_Si02iS 體；
[0009](3)將S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12坯體通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)制備等軸狀FSi3N4+TiN+O’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。
[0010]步驟(I)中，將Si粉、Ti02溶膠和Re2O3-Al2O3-S12按所述質(zhì)量分數(shù)比進行配料，以乙醇為溶劑，以Si3N4球為球磨介質(zhì)，在球磨機上混合4?20h，干燥后得到S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12混合粉體。
[0011]步驟(I)中，球磨機是行星球磨機，在行星球磨機上混合10h。
[0012]步驟(I)中，S1:T12:Re2O3-Al2O3-S12的質(zhì)量分數(shù)比優(yōu)選為74.5%:4%: 21.5% ,其中Re = Y;所述Re2O3-Al2O3-S12中的Re2O3: Al2O3: S12的質(zhì)量分數(shù)比為35 %: 35 %: 30 %。
[0013]步驟(2)中，冷等靜壓成型的壓力100?300MPa，保壓時間為I?lOmin。
[0014]步驟(2)中，冷等靜壓成型的壓力優(yōu)選200MPa，保壓時間為5min。
[0015]步驟(3)中，氣壓反應(yīng)燒結(jié)為:將S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12坯體放入氮化硼坩禍，以20°C/min的升溫速率將溫度升至1000?1250°C，再以10°C/min的升溫速率將溫度升至1300?1600°C，并保溫I?4h，保溫過程氮氣壓力為0.1?5MPa，然后以5°C/min的升溫速率將溫度升至1600?20000C，并保溫I?4h，保溫過程氮氣壓力為0.1?5MPa，通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)獲得等軸狀0_Si3N4+TiN+O ’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。
[0016]步驟(3)中，氣壓反應(yīng)燒結(jié)優(yōu)選為:將S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12坯體放入氮化硼坩禍，以20°C/min的升溫速度將溫度升到1200°C，再以10°C/min的升溫速度將溫度升到1400°C，并保溫2h，保溫過程氮氣壓力為0.5MPa，然后以5°C/min的升溫速度將溫度升到1850°C，并保溫lh，保溫過程氮氣壓力為3.0MPa，通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)獲得等軸狀β-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。
[0017]采用上述方法制備得到的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料，其相對密度高于95%，硬度為10?22GPa，斷裂韌性為3?8MPa.m1/2，抗彎強度為600?1200MPa，TiN粒徑為10?100nm，β-Si3N4晶粒的平均直徑為1.33?2.58um。
[0018]優(yōu)選地，本發(fā)明制備得到的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料，其相對密度為99%，硬度為14GPa，斷裂韌性為4.5MPa.m1氣抗彎強度為100MPa，TiN粒徑為500咖，0^3他晶粒的平均直徑為1.90±0.51.。
[0019]本發(fā)明中，T12溶膠在高溫下與Si3N4反應(yīng)生成TiN增強相，如反應(yīng)方程式(I)所示；試樣中部分S12與Re2O3、A1203反應(yīng)形成玻璃相，改善致密化，多余的S12與Si3N^Al2O3發(fā)生固溶反應(yīng)形成O’-Sialon相，如反應(yīng)方程式(2)所示:
[0020]6Ti02(s)+2Si3N4(s)—6TiN(s)+6Si02(s or 1)+N2(g) (I)
[0021]0.49Si3N4(s)+0.49Si02(s)+0.02Al203(s)—Si1.96Al0.0401.04N1.96(s) (2)
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點和效果:
[0023](1)本發(fā)明制備的等軸狀0-313仏+1^奸0’-51&1011復(fù)相陶瓷材料，是以等軸狀|3-Si3N4為主相，以TiN+O’-Sialon為增強相的相組織結(jié)構(gòu)，該相組織結(jié)構(gòu)具有更好、更緊密的晶體結(jié)構(gòu)。
[0024](2)本發(fā)明引入T12溶膠做為Si粉氮化催化劑并原位生成納米TiN增強相，進一步提高陶瓷材料的強度及耐磨損性能，引入Al2O3-Re2O3-S12燒結(jié)助劑促進Si3N4燒結(jié)致密化，形成等軸狀0-Si3N4晶粒，并原位生成O ’ -Sialon，進一步提高陶瓷材料的高溫性能和抗氧化性能。
[0025](3)本發(fā)明材料原位生成的TiN粒徑為100?lOOOnm，具有更優(yōu)異的力學性能、高溫性能、抗氧化及抗腐蝕性能。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明制備的等軸狀0-Si3N4+TiN+O’_Sialon復(fù)相陶瓷材料的XRD圖。
[0027]圖2為本發(fā)明制備的等軸狀0-Si3N4+TiN+O’_Sialon復(fù)相陶瓷材料的SEM圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。下述所使用的實驗方法若無特殊說明，均為本技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有常規(guī)的方法，所使用的配料或材料，如無特殊說明，均為通過商業(yè)途徑可得到的配料或材料。
[0029]實施例1
[0030](I)以Si粉為原料，以T12溶膠、Y2O3-Al2O3-S12為燒結(jié)助劑，按照Si粉占總質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)為74.5%、1102質(zhì)量分數(shù)為4%、￥20341203-5102質(zhì)量分數(shù)為21.5%進行配料，其中Y2O3 = Al2O3: S12質(zhì)量分數(shù)比為35 %:35%:30%,以乙醇為溶劑，以Si3N4球為球磨介質(zhì)，在行星球磨機上混合10h，干燥后得到S1-T12-Y2O3-Al2O3-S12混合粉體。
[0031](2)將S1-T12-Y2O3-Al2O3-S12混合粉體放入模具中通過干壓成型后進行冷等靜壓獲得S1-T12-Y2O3-Al2O3-S12坯體，冷等靜壓成型壓力200MPa，保壓時間為5min。
[0032](3)將S1-T12-Y2O3-Al2O3-S12坯體放入氮化硼坩禍，以20 °C/min的升溫速率將溫度升到1200°C，再以10°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C，并保溫2h，保溫過程氮氣壓力為0.5MPa，然后以5°C/min的升溫速率將溫度升到1850°C，并保溫lh，保溫過程氮氣壓力為
3.0MPa，通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)獲得等軸狀0-Si3N4+TiN+O ’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。
[0033]本實施例制備的陶瓷材料的相對密度為99%，硬度為14GPa，斷裂韌性為4.5MPa.m1/2，抗彎強度為1000MPa，TiN粒徑位5OOnm，0-Si3N4晶粒的平均直徑為1.90±0.51um。
[0034]圖1為等軸狀0-Si3N4+TiN+O’_Sialon復(fù)相陶瓷材料的XRD圖譜。從圖1可以看出，試樣經(jīng)氣壓反應(yīng)燒結(jié)后，Si粉全部轉(zhuǎn)化為i3_Si3N。
[0035]圖2為等軸狀0-Si3N4+TiN+O’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的SEM圖。從圖2可以看出，β-Si3N4晶粒為均勻的等軸狀晶粒，且平均直徑為1.90 ± 0.5 Ium。
[0036]實施例2
[0037]按照Si質(zhì)量分數(shù)為71%、Ti02質(zhì)量分數(shù)為4% J2O3-Al2O3-S12質(zhì)量分數(shù)為25%進行配料，其中Y2O3 = Al2O3 = S12質(zhì)量分數(shù)比為30%: 30%: 40%，按照實施例1方法制備S1-T12-Y2O3-Al2O3-S12坯體，然后以20 °C/min的升溫速率將溫度升到1200°C，再以10°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C，并保溫2h，保溫過程氮氣壓力為0.5MPa，然后以5°C/min的升溫速率將溫度升到1700 V，保溫Ih，保溫過程氮氣壓力為3.0MPa，通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)獲得等軸狀P-Si3N4+TiN+0 ’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。
[0038]本實施例制備的陶瓷材料的相對密度為99%，硬度為13.5GPa，斷裂韌性為4MPa.m1/2，抗彎強度為950MPa，TiN粒徑為450nm，P-Si3N4晶粒的平均直徑為1.46 ± 0.26um。
[0039]實施例3
[0040]按照Si質(zhì)量分數(shù)為81%、Ti02質(zhì)量分數(shù)為4% J2O3-Al2O3-S12質(zhì)量分數(shù)為15%進行配料，其中Y2O3: Al2O3: S12質(zhì)量分數(shù)比為33.3%:33.3%:33.3%,按照實施例1方法制備S1-T12-Y2O3-Al2O3-S12坯體，然后以20°C/min的升溫速率將溫度升到1200°C，然后以10°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C，并保溫2h，保溫過程氮氣壓力為0.5MPa，然后以5°C/min的升溫速率將溫度升到1750°C，并保溫Ih，保溫過程氮氣壓力為3.0MPa，通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)獲得等軸狀f3_Si3N4+TiN+0 ’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。
[0041 ]本實施例制備的陶瓷材料的相對密度為99%，硬度為14GPa，斷裂韌性為3.5MPa.m1/2，抗彎強度為850MPa，TiN粒徑為5OOnm，0-Si3N4晶粒的平均直徑為1.53±0.32um。
[0042]實施例4
[0043]按照Si粉質(zhì)量分數(shù)為77.5%、Ti02質(zhì)量分數(shù)為4% J2O3-Al2O3-S12質(zhì)量分數(shù)為18.5%進行配料，其中Y2O3 = Al2O3: S12質(zhì)量分數(shù)比為27 %:27%:46%,按照實施例1方法制備S1-T12-Y2O3-Al2O3-S12坯體，然后以20 °C/min的升溫速率將溫度升到1200 °C，然后以10°C/min的升溫速率將溫度升到1400°C，并保溫2h，保溫過程氮氣壓力為0.5MPa，然后以5°C/min的升溫速率將溫度升到1800°C，并保溫Ih，保溫過程氮氣壓力為3.0MPa，通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)獲得等軸狀f3_Si3N4+TiN+0 ’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。
[0044]本實施例制備的陶瓷材料的相對密度為98.5 %，硬度為14.5 G P a，斷裂韌性為4MPa.m1/2，抗彎強度為950MPa，TiN粒徑為55Onm，0-Si3N4晶粒的平均直徑為1.73±0.45um。
【主權(quán)項】
1.一種等軸狀i5-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟: (1)以Si粉為原料，以T12溶膠、Re2O3-Al2O3-S12為燒結(jié)助劑，按照S1: T12: Re2O3-Al2O3-S12質(zhì)量分數(shù)比為60?98%:1?10%:1?30%的配比，經(jīng)混料、干燥后，得到S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12 混合粉體，其中Re 為 Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的任一種，所述Re2O3-Al2O3-S12中的Re2O3: Al2O3: S12質(zhì)量分數(shù)比為I?98%:I?98%:1 ?98% ； (2)將S1-T12-Re2O3-Al2O3-S1:^合粉體放入模具中進行干壓成型后，通過冷等靜壓成型獲得 S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12 坯體； (3)將S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12坯體通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)制備等軸狀0-Si3N4+TiN+O’_Sialon復(fù)相陶瓷材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，將Si粉、T12溶膠和Re2O3-Al2O3-S12按所述質(zhì)量分數(shù)比進行配料，以乙醇為溶劑，以Si3N4球為球磨介質(zhì)，在球磨機上混合4?20h，干燥后得到S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12混合粉體。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，球磨機是行星球磨機，在行星球磨機上混合I Oh。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，S1: T12: Re2O3-Al2O3-S12的質(zhì)量分數(shù)比為74.5%:4%:21.5%，其中Re為Y；所述Re2O3-Al2O3-S12中的Re2O3: Al2O3: S12的質(zhì)量分數(shù)比為35 %: 35 %: 30 %。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中，冷等靜壓成型的壓力100?300MPa，保壓時間為I?I Omin。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，氣壓反應(yīng)燒結(jié)為:將S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12坯體放入氮化硼坩禍，以20°C/min的升溫速率將溫度升至1000?1250°C，再以10°C/min的升溫速率將溫度升至1300?1600°C，并保溫I?4h，保溫過程氮氣壓力為0.1?5MPa，然后以5°C/min的升溫速率將溫度升至1600?20000C，并保溫I?4h，保溫過程氮氣壓力為0.1?5MPa，通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)獲得等軸狀0_Si3N4+TiN+O ’-Sialon復(fù)相陶瓷材料。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，氣壓反應(yīng)燒結(jié)為:將S1-T12-Re2O3-Al2O3-S12坯體放入氮化硼坩禍，以20°C/min的升溫速度將溫度升到1200°C，再以10°C/min的升溫速度將溫度升到1400°C，并保溫2h，保溫過程氮氣壓力為0.5MPa，然后以5°C/min的升溫速度將溫度升到1850°C，并保溫Ih，保溫過程氮氣壓力為3.0MPa，通過氣壓反應(yīng)燒結(jié)獲得等軸狀f3_Si3N4+TiN+0 ’ -Sialon復(fù)相陶瓷材料。8.—種采用權(quán)利要求1?7任一項所述方法制備得到的等軸狀i3-Si3N4+TiN+0’-Sialon復(fù)相陶瓷材料，其特征在于:相對密度高于95%，硬度為10?22GPa，斷裂韌性為3?8MPa.1111/2，抗彎強度為600?120010^，1^粒徑為100?100011111，0^3?晶粒的平均直徑為1.33?2.58um09.根據(jù)權(quán)利要求8所述的的等軸狀i3_Si3N4+TiN+0’ -Sialon復(fù)相陶瓷材料，其特征在于:相對密度為99%，硬度為14GPa，斷裂韌性為4.5MPa.m1氣抗彎強度為1000MPa，TiN粒徑為500咖，0^3他晶粒的平均直徑為1.90±0.51.。
【文檔編號】C04B35/591GK105948761SQ201610279603
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】郭偉明, 于俊杰, 林華泰
【申請人】廣東工業(yè)大學