專利名稱：一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷及其無壓燒結(jié)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高性能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種高強(qiáng)度β -SiAlON陶瓷 材料及其無壓燒結(jié)制備方法。
背景技術(shù)：
β -SiAlON是β -Si3N4與AlN ·Al2O3的固溶體，結(jié)構(gòu)與β -Si3N4相同，物理性質(zhì)與 Si3N4相似，化學(xué)性質(zhì)接近Al2O3，具有耐高溫、力學(xué)性能好、抗熱震性能好、熱穩(wěn)定性好以及 化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷之一。在高溫、高速、強(qiáng)腐蝕介質(zhì) 的工作環(huán)境中具有特殊的使用價(jià)值，在航空、航天電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。關(guān)與無壓燒結(jié)制備β-SiAlON方面的研究早在20世紀(jì)90年代已經(jīng)開展。 1991 年 Lis 等(Dense β -and α /β -SiAlON materials by pressureless sintering ofcombustion-synthesized powders, J Am Ceram Bull, 1991, 70 (10) : 1658-64)在常壓 下燒結(jié)經(jīng)燃燒合成法獲得的粉末制備了致密的β-SiAlON陶瓷，與本專利的原料不同；董 鵬莉(不同ζ值β-SiAlON的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能.2009，43(1) 23-26)等首先采用還原 氮化法合成了不同ζ值的β-SiAlON，并用無壓燒結(jié)方法制備了 β-SiAlON陶瓷，該方法 與本專利的方法和工藝完全不同；中南大學(xué)王零森等(SiAlON陶瓷的常壓燒結(jié).中南工業(yè) 大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32 (3) 277-280)以Si3N4、Α1Ν、Al2O3為原料采用常壓燒結(jié)方法制備了抗 彎強(qiáng)度為612MPa的β-SiAlON，Y2O3摻量為6 %，而且其不是以β-SiAlON的分子式進(jìn)行 成分設(shè)計(jì)的。此外，以Si3N4、AlN和Al2O3為原料的熱壓燒結(jié)和基于β-SiAlON粉末的各 種制備技術(shù)也是制備 β -SiAlON 的方法=Pettersson 等(Thermal shock properties of β -SiAlONceramics. Journal of the European Ceramic Society,2002, 22 :1357-1365) 采用熱壓燒結(jié)方法制備了 β -SiAlON陶瓷，并對(duì)其抗熱震性進(jìn)行了研究，認(rèn)為低ζ值有 利于提高其抗熱震性，抗熱震性最好材料的斷裂韌性大于4. OMPa · m1/2 ；Semra等(The production of β -SiAlON ceramics with low amounts of additive at lowsintering temperature. Journal of the European Ceramic Society. 2010 (inpressing))在合成 β-SiAlON納米粉的基礎(chǔ)上采用氣壓燒結(jié)法制備的β-SiAlON陶瓷材料硬度為16GPa， 斷裂韌性4. 8MPa · m1/2,其同時(shí)還制備了斷裂韌性為6 · 4MPa · m1/2,但硬度為14GPa的 β -SiAlON ；Yi 等(Fabrication of dense β -SiAlON by acombination of combustion synthesis (CS) and spark plasma sintering (SPS). Intermetallics. 2009 1-6)首先以 Si、Al和SiO2為原料采用燃燒合成方法制備了 β -SiAlON粉末，粉末中存在少量未反應(yīng)相， 再用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了致密的單相β -SiAlON陶瓷材料，但未對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行 表征。國內(nèi)外未見β-SiAlON塊體材料制備方法的專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度β -SiAlON陶瓷材料的無壓燒結(jié)制備方法。本發(fā)明的目的是通過下列方式實(shí)施的結(jié)合R2O3-Si3N4-AlN-Al2O3(R為Y，Yb或Nd)多元系統(tǒng)中β-SiAlON相圖，利用氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化釔及稀土氧化物(氧化釹、 氧化鐿等)，通過嚴(yán)格控制的無壓燒結(jié)工藝，制備出高強(qiáng)度、高韌性的β -SiAlON陶瓷材料。本發(fā)明所提供的β -SiAlON陶瓷材料的分子式為Si6_zAlz0zN8_z，式中ζ = 1 3. 5， 外摻燒結(jié)助劑，燒結(jié)助劑的摻量不大于β-SiAlON原料粉末質(zhì)量的5%。燒結(jié)助劑為氧化釔 或稀土氧化物(氧化釹、氧化鐿等)中的一種或多種。本發(fā)明所述的高強(qiáng)度β -SiAlON陶瓷材料以氮化硅粉、氮化鋁粉、氧化鋁粉為原 料，考慮氮化硅和氮化鋁的表面氧，其中氮化硅的表面氧以二氧化硅的形式計(jì)算，氮化鋁的 表面氧以氧化鋁的形式計(jì)算，依據(jù)分子式Si6_zAlz0zN8_z計(jì)算原料粉末含量，式中ζ = 1 3. 5，外摻燒結(jié)助劑，燒結(jié)助劑的摻量不大于β -SiAlON原料粉末質(zhì)量的5%，具體制備步驟 如下第一步、成型經(jīng)烘干、造粒后的原料粉末無需加入成型劑，在機(jī)械壓力作用下成 型，成型壓力不高于60MPa;第二步、埋粉成型后的素坯埋于SiAlON粉末中；第三步、燒結(jié)采用無壓燒結(jié)方法制備高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料，燒結(jié)氣氛為 先真空后氮?dú)?，升溫速率? 40°C /min，燒結(jié)溫度為1650 1850°C，燒結(jié)時(shí)間為30 90min。冷卻至室溫后取出，冷卻時(shí)的降溫速率不高于10°C/min。下面是對(duì)本發(fā)明的幾點(diǎn) 說明1、β -SiAlON 組成設(shè)計(jì)根據(jù)已有的 R2O3-Si3N4-AlN-Al2O3 (R 為 Y，Yb 或 Nd)多元 系統(tǒng)中β-SiAlON相平面的知識(shí)，考慮Si3N4和AlN的表面氧含量，根據(jù)β-SiAlON分子式 Si6_zAlz0zN8-z 設(shè)計(jì) β -SiAlON 的組成，式中 1 < ζ < 3. 5。2、原料包括Si3N4、AlN、Al203、Y203或稀土氧化物(Nd2O3, Yb2O3等)，按上述設(shè)計(jì)組 成方法計(jì)算所得原料配比稱量原料粉末后，稱取不大于β -SiAlON原料粉5襯％的Y2O3或 稀土氧化物(Nd2O3，Yb2O3等)或其中多種的混合物，在聚四氟乙烯罐中以無水乙醇為分散 介質(zhì)，Si3N4球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)混合12小時(shí)以上，取出料漿烘干后，過50目篩。3、制備將混好的粉料放于金屬模具中，在不高于60MPa的壓力下成型，將其裝入 鋪好SiAlON粉末的石墨模具中，再用SiAlON粉末將β-SiAlON素坯埋于其中。為了避免 埋粉粉料和石墨模具粘結(jié)，模具與粉料之間用石墨紙隔開。先抽真空，再通入流動(dòng)N2作為保 護(hù)氣體。燒結(jié)過程中采用勻速升溫，升溫速率控制在5 40°C /min,升溫至1650 1850°C 后保溫30 90min，冷卻至室溫后取出，冷卻時(shí)降溫速率不大于10°C /min,冷卻過程中繼續(xù) 通流動(dòng)氮?dú)?，取出后用金剛石切割機(jī)、磨床以及研磨拋光機(jī)把樣品加工到測(cè)試要求的尺寸， 即獲得β-SiAlON陶瓷。4、材料該材料的相組成為β -SiAlON0該材料的抗彎強(qiáng)度高于550MPa，斷裂韌性 大于4. 5MPa·!^2，抗熱震性好。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、制備工藝簡單，原料粉末易實(shí)現(xiàn)均勻混合。2、無壓燒結(jié)易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和異型構(gòu)件制備，減少加工難度。3、可實(shí)現(xiàn)近尺寸構(gòu)件制備，減少原料損耗和加工損耗，節(jié)約資源。


圖1、本發(fā)明提供的實(shí)施例1制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖2、本發(fā)明提供的實(shí)施例1得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖3、本發(fā)明提供的實(shí)施例2制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖4、本發(fā)明提供的實(shí)施例2得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖5、本發(fā)明提供的實(shí)施例3制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖6、本發(fā)明提供的實(shí)施例3得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖7、本發(fā)明提供的實(shí)施例4制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖8、本發(fā)明提供的實(shí)施例4得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖9、本發(fā)明提供的實(shí)施例5制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖10、本發(fā)明提供的實(shí)施例5得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖11、本發(fā)明提供的實(shí)施例6制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖12、本發(fā)明提供的實(shí)施例6得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1、用氧化釔摻雜，以氮化硅，氮化鋁和氧化鋁粉末為原料。按分子式Si6_zAlz0zN8_z計(jì) 算當(dāng)1. 6 < ζ < 2. 5時(shí)原料粉末中的氮化硅、氮化鋁、氧化鋁的質(zhì)量百分含量，再按上述粉 末總質(zhì)量的4%稱取氧化釔粉末，將稱好的粉料在聚四氟乙烯罐中以無水乙醇為分散介質(zhì)， 用氮化硅球作為球磨介質(zhì)，球磨24h?；旌虾玫臐{料烘干后裝入金屬模具中，在40MPa壓力 下成型，將素坯放入鋪好石墨紙和SiAlON粉末的石墨模具中，采用前面所述的無壓燒結(jié)工 藝制備出β-SiAlON陶瓷材料，再用金剛石切割機(jī)、磨床和研磨拋光機(jī)加工得到陶瓷材料 試樣進(jìn)行性能表征。實(shí)施例2、本實(shí)施方式中氧化釔摻量為，其它組成及制備方法與具體實(shí)施方式
1的 β-SiAlON組成相同。實(shí)施例3、本實(shí)施方式中氧化釹摻量為3wt%，其它組成及制備方法與具體實(shí)施方式
1的 β-SiAlON組成相同。實(shí)施例4、本實(shí)施方式中β-SiAlON組成中ζ = 2，氧化鐿摻量為3wt%，其它組成及制備方 法與具體實(shí)施方式
1的β-SiAlON組成相同。實(shí)施例5本實(shí)施方式中β-SiAlON組成中ζ = 2，氧化釔和氧化釹共同摻雜，總摻量為 5wt%，其它組成及制備方法與具體實(shí)施方式
1的β-SiAlON組成相同。實(shí)施例6本實(shí)施方式中β-SiAlON組成中ζ = 2，氧化釹摻量為5wt%，其它組成及制備方 法與具體實(shí)施方式
1的β-SiAlON組成相同。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷，其特征在于β-SiAlON陶瓷材料的分子式為 Si6_zAlz0zN8_z，式中ζ = 1 3. 5，外摻燒結(jié)助劑，燒結(jié)助劑的摻量不大于β-SiAlON原料粉 末質(zhì)量的5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料，其特征在于所述燒結(jié)助劑 為氧化釔或稀土氧化物中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料，其特征在于燒結(jié)助劑所用 的稀土氧化物為氧化釹或氧化鐿。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料，其特征在于所述 β -SiAlON的分子式為Si4Al2O2N6，氧化釔摻量為β -SiAlON原料質(zhì)量的4%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料，其特征在于所述 β -SiAlON的分子式為Si4Al2O2N6，氧化釹摻量為β -SiAlON原料質(zhì)量的5%。
6.權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料的制備方法，其特征在于以氮化 硅粉、氮化鋁粉、氧化鋁粉為原料，考慮氮化硅和氮化鋁的表面氧，依據(jù)分子式Si6_zAlz0zN8_z 計(jì)算原料粉末含量，式中ζ = 1 3. 5，外摻燒結(jié)助劑，燒結(jié)助劑的摻量不大于β -SiAlON原 料粉末質(zhì)量的5%，具體制備步驟如下第一步、成型經(jīng)烘干、造粒后的原料粉末無需加入成型劑，在機(jī)械壓力作用下成型；第二步、埋粉成型后的素坯埋于SiAlON粉末中；第三步、燒結(jié)采用無壓燒結(jié)方法制備高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料，燒結(jié)氣氛為先真空 后氮?dú)猓郎厮俾蕿? 40°C /min，燒結(jié)溫度為1650 1850°C，燒結(jié)時(shí)間為30 90min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料的制備方法，其特征在于成 型壓力不高于60MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料的制備方法，其特征在于成 型后的素坯埋于SiAlON粉末中進(jìn)行燒結(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料的制備方法，其特征在于制 備方法為無壓燒結(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料的制備方法，其特征在于燒 結(jié)后冷卻至室溫取出，冷卻時(shí)的降溫速率不高于10°c /min。
全文摘要
本發(fā)明屬于高性能陶瓷材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種利用無壓燒結(jié)技術(shù)制備高強(qiáng)度β-SiAlON陶瓷材料的方法。以氮化硅粉、氮化鋁粉、氧化鋁粉為原料，根據(jù)β-SiAlON組成通式Si6-zAlzOzN8-z(z＝1～3.5)設(shè)計(jì)陶瓷組成，添加Y2O3或稀土氧化物(Nd2O3、Yb2O3等)中的一種或多種作為燒結(jié)助劑，原料粉末在無水乙醇介質(zhì)中混合后，烘干、造粒，冷壓成型后的試樣埋于SiAlON填料中，在流動(dòng)氮?dú)猸h(huán)境中燒結(jié)。該方法在陶瓷燒結(jié)過程中無需施加機(jī)械壓力，易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和異型構(gòu)件制備，同時(shí)可減少加工難度和損耗，具有更廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C04B35/599GK102115332SQ201110071560
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者單英春, 徐久軍, 朱峰, 王光 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)