專利名稱：一種高強度β-SiAlON陶瓷及其無壓燒結制備方法
技術領域：
本發明屬于高性能陶瓷材料技術領域，具體涉及的是一種高強度β -SiAlON陶瓷 材料及其無壓燒結制備方法。
背景技術：
β -SiAlON是β -Si3N4與AlN ·Al2O3的固溶體，結構與β -Si3N4相同，物理性質與 Si3N4相似，化學性質接近Al2O3，具有耐高溫、力學性能好、抗熱震性能好、熱穩定性好以及 化學穩定性好等優點，被認為是最有希望的高溫結構陶瓷之一。在高溫、高速、強腐蝕介質 的工作環境中具有特殊的使用價值，在航空、航天電子領域具有廣泛的應用潛力。關與無壓燒結制備β-SiAlON方面的研究早在20世紀90年代已經開展。 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 下燒結經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的顯微結構與力學性能.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；中南大學王零森等(SiAlON陶瓷的常壓燒結.中南工業 大學學報，2001，32 (3) 277-280)以Si3N4、Α1Ν、Al2O3為原料采用常壓燒結方法制備了抗 彎強度為612MPa的β-SiAlON，Y2O3摻量為6 %，而且其不是以β-SiAlON的分子式進行 成分設計的。此外，以Si3N4、AlN和Al2O3為原料的熱壓燒結和基于β-SiAlON粉末的各 種制備技術也是制備 β -SiAlON 的方法=Pettersson 等(Thermal shock properties of β -SiAlONceramics. Journal of the European Ceramic Society,2002, 22 :1357-1365) 采用熱壓燒結方法制備了 β -SiAlON陶瓷，并對其抗熱震性進行了研究，認為低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納米粉的基礎上采用氣壓燒結法制備的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相， 再用放電等離子燒結技術制備了致密的單相β -SiAlON陶瓷材料，但未對其力學性能進行 表征。國內外未見β-SiAlON塊體材料制備方法的專利。
發明內容
本發明的目的在于提供一種高強度β -SiAlON陶瓷材料的無壓燒結制備方法。本發明的目的是通過下列方式實施的結合R2O3-Si3N4-AlN-Al2O3(R為Y，Yb或Nd)多元系統中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)，通過嚴格控制的無壓燒結工藝，制備出高強度、高韌性的β -SiAlON陶瓷材料。本發明所提供的β -SiAlON陶瓷材料的分子式為Si6_zAlz0zN8_z，式中ζ = 1 3. 5， 外摻燒結助劑，燒結助劑的摻量不大于β-SiAlON原料粉末質量的5%。燒結助劑為氧化釔 或稀土氧化物(氧化釹、氧化鐿等)中的一種或多種。本發明所述的高強度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算，氮化鋁的 表面氧以氧化鋁的形式計算，依據分子式Si6_zAlz0zN8_z計算原料粉末含量，式中ζ = 1 3. 5，外摻燒結助劑，燒結助劑的摻量不大于β -SiAlON原料粉末質量的5%，具體制備步驟 如下第一步、成型經烘干、造粒后的原料粉末無需加入成型劑，在機械壓力作用下成 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、燒結采用無壓燒結方法制備高強度β-SiAlON陶瓷材料，燒結氣氛為 先真空后氮氣，升溫速率為5 40°C /min，燒結溫度為1650 1850°C，燒結時間為30 90min。冷卻至室溫后取出，冷卻時的降溫速率不高于10°C/min。下面是對本發明的幾點 說明1、β -SiAlON 組成設計根據已有的 R2O3-Si3N4-AlN-Al2O3 (R 為 Y，Yb 或 Nd)多元 系統中β-SiAlON相平面的知識，考慮Si3N4和AlN的表面氧含量，根據β-SiAlON分子式 Si6_zAlz0zN8-z 設計 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)，按上述設計組 成方法計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，Si3N4球為球磨介質混合12小時以上，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，模具與粉料之間用石墨紙隔開。先抽真空，再通入流動N2作為保 護氣體。燒結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，冷卻時降溫速率不大于10°C /min,冷卻過程中繼續 通流動氮氣，取出后用金剛石切割機、磨床以及研磨拋光機把樣品加工到測試要求的尺寸， 即獲得β-SiAlON陶瓷。4、材料該材料的相組成為β -SiAlON0該材料的抗彎強度高于550MPa，斷裂韌性 大于4. 5MPa·!^2，抗熱震性好。本發明的優點是1、制備工藝簡單，原料粉末易實現均勻混合。2、無壓燒結易實現復雜形狀和異型構件制備，減少加工難度。3、可實現近尺寸構件制備，減少原料損耗和加工損耗，節約資源。
圖1、本發明提供的實施例1制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖2、本發明提供的實施例1得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖3、本發明提供的實施例2制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖4、本發明提供的實施例2得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖5、本發明提供的實施例3制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖6、本發明提供的實施例3得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖7、本發明提供的實施例4制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖8、本發明提供的實施例4得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖9、本發明提供的實施例5制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖10、本發明提供的實施例5得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。圖11、本發明提供的實施例6制備出的陶瓷材料的XRD圖。圖12、本發明提供的實施例6得到的陶瓷材料的斷口形貌照片。
具體實施例方式實施例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 算當1. 6 < ζ < 2. 5時原料粉末中的氮化硅、氮化鋁、氧化鋁的質量百分含量，再按上述粉 末總質量的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， 用氮化硅球作為球磨介質，球磨24h。混合好的漿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工 藝制備出β-SiAlON陶瓷材料，再用金剛石切割機、磨床和研磨拋光機加工得到陶瓷材料 試樣進行性能表征。實施例2、本實施方式中氧化釔摻量為，其它組成及制備方法與具體實施方式
1的 β-SiAlON組成相同。實施例3、本實施方式中氧化釹摻量為3wt%，其它組成及制備方法與具體實施方式
1的 β-SiAlON組成相同。實施例4、本實施方式中β-SiAlON組成中ζ = 2，氧化鐿摻量為3wt%，其它組成及制備方 法與具體實施方式
1的β-SiAlON組成相同。實施例5本實施方式中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施方式
1的β-SiAlON組成相同。實施例6本實施方式中β-SiAlON組成中ζ = 2，氧化釹摻量為5wt%，其它組成及制備方 法與具體實施方式
1的β-SiAlON組成相同。
權利要求
1.一種高強度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，外摻燒結助劑，燒結助劑的摻量不大于β-SiAlON原料粉 末質量的5%。
2.根據權利要求1所述的一種高強度β-SiAlON陶瓷材料，其特征在于所述燒結助劑 為氧化釔或稀土氧化物中的一種或多種。
3.根據權利要求2所述的一種高強度β-SiAlON陶瓷材料，其特征在于燒結助劑所用 的稀土氧化物為氧化釹或氧化鐿。
4.根據權利要求1所述的一種高強度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原料質量的4%。
5.根據權利要求1所述的一種高強度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原料質量的5%。
6.權利要求1所述的一種高強度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，依據分子式Si6_zAlz0zN8_z 計算原料粉末含量，式中ζ = 1 3. 5，外摻燒結助劑，燒結助劑的摻量不大于β -SiAlON原 料粉末質量的5%，具體制備步驟如下第一步、成型經烘干、造粒后的原料粉末無需加入成型劑，在機械壓力作用下成型；第二步、埋粉成型后的素坯埋于SiAlON粉末中；第三步、燒結采用無壓燒結方法制備高強度β-SiAlON陶瓷材料，燒結氣氛為先真空 后氮氣，升溫速率為5 40°C /min，燒結溫度為1650 1850°C，燒結時間為30 90min。
7.根據權利要求6所述的一種高強度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.根據權利要求6所述的一種高強度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粉末中進行燒結。
9.根據權利要求6所述的一種高強度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。
10.根據權利要求6所述的一種高強度β-SiAlON陶瓷材料的制備方法，其特征在于燒 結后冷卻至室溫取出，冷卻時的降溫速率不高于10°c /min。
全文摘要
本發明屬于高性能陶瓷材料制備領域，具體涉及一種利用無壓燒結技術制備高強度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β-SiAlON組成通式Si6-zAlzOzN8-z(z＝1～3.5)設計陶瓷組成，添加Y2O3或稀土氧化物(Nd2O3、Yb2O3等)中的一種或多種作為燒結助劑，原料粉末在無水乙醇介質中混合后，烘干、造粒，冷壓成型后的試樣埋于SiAlON填料中，在流動氮氣環境中燒結。該方法在陶瓷燒結過程中無需施加機械壓力，易實現復雜形狀和異型構件制備，同時可減少加工難度和損耗，具有更廣闊的應用前景。
文檔編號C04B35/599GK102115332SQ201110071560
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月23日 優先權日2011年3月23日
發明者單英春, 徐久軍, 朱峰, 王光 申請人:大連海事大學