[发明专利]氮化硅基复合材料燃烧合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料的合成方法。

背景技术

氮化硅陶瓷材料是高温结构制品最理想的材料之一。氮化硅陶瓷是近年来发展起来的新型非氧化物高温结构陶瓷材料，具有高强度、耐高温、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损、化学稳定性强，以及导热系数大、热膨胀系数低等一系列优越性能，在有色金属、钢铁冶金、化工、电子陶瓷和稀土、玻璃、高温窑炉、电力等行业具有广泛的应用前景。

目前氮化硅基复合材料传统的制备工艺主要有：常压烧结、热压烧结、气氛压力烧结、热等静压烧结方法、反应烧结，以及微波烧结与等离子烧结等。

上述方法均有其各自的局限性，例如常压烧结产品孔隙较多；热压烧结所得制品形状简单，成本高，具有各向异性；气氛压力烧结是将氮化硅混合粉末冷等静压成形，在高温高压氮气气氛中烧结，虽然可以可到致密度较高的氮化硅陶瓷，但成本较高；热等静压烧结虽然性能好，但同样存在成本较高的问题。反应烧结氮化硅是直接由硅粉压坯氮化而成，由于反应难以保证完全反应，因此不易得到高致密件；微波烧结与等离子烧结设备较复杂，难于制造大尺寸产品。

与上述传统制备工艺相比，燃烧合成工艺(自蔓延高温合成工艺)制备氮化硅基复合材料具有能耗低、工艺简单、工作效率高、成本低等优点，但是存在获得的产物易出现未完全转化或致密度较低等缺陷；由于产物中存在未完全转化的Si，其熔点较低(1410℃)，恶化材料的力学性能，同时其在燃烧后期会导致获得的产物出现开裂现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服了现有燃烧合成工艺制备存在获得的产物易出现未完全转化、产物开裂或致密度较低等缺陷；而提供了一种氮化硅基复合材料燃烧合成方法。本发明方法的步骤如下：一、按下列重量百分比称取原料：固体燃烧反应物19～98.99％、稀释剂1～80％、反应调节剂钼0.01～80％，其中固体燃烧反应物、稀释剂和反应调节剂钼为粉末、晶须、短纤维、长纤维状或以上各形态的混合物，固体燃烧反应物为硅钛化合物；二、将步骤一称取的原料干燥，再机械球磨混合，然后将混合物经成型后得到毛坯，控制毛坯孔隙率在30～50％之间；三、将毛坯放入通有循环水的密闭压力容器中，然后充入10～500MPa的高压氮气，点火，原料自蔓延燃烧；即可获得致密均匀的氮化硅基复合材料。

所述的硅钛化合物为TiSi₂、TiSi、Ti₅Si₃、Ti₃Si中一种或几种的混合。

另外固体燃烧反应物中可加入单质Ti、单质Si或两者的混合，加入量不大于固体燃烧反应物重量的70％。

所述的稀释剂为具有一定化学惰性的物质，在燃烧合成反应中不发生化学反应，可降低反应温度，提高工艺的可控性，提高材料性能。下述内容是对稀释剂的举例，具有与本发明稀释剂相同的作用的物质均属在本发明的保护范围之内。所述的稀释剂为陶瓷类稀释剂和/或金属类稀释剂；其中陶瓷类稀释剂为SiC、HfC、ZrC、TiC、B₄C、Si₃N₄、AlN、BN、MoSi₂、Al₂O₃、ZrO₂、CaO、MgO、SiO₂、Y₂O₃、钛酸铝、莫莱石、TiO₂中的一种或几种的混合，金属类稀释剂为Ni、W、Cr、Co、Fe、Cu、V、Pd、Ir、Rh、Re、Os、Ru、Hf、Ta中的一种或几种的混合。其中C可为无定形碳、石墨、金刚石、碳纤维、碳纳米管、巴基球等各种碳的形态。

在氮化硅基陶瓷的燃烧合成中，一方面原料毛坯一般需要具有较低的孔隙率，否则难以获得高致密度的产品，但另一方面该燃烧合成反应需要大量的氮气供应，需要原料毛坯具有较高的孔隙率，上述的矛盾导致工艺控制困难，产品缺陷率较高，产物转化率不高，在产物常残留自由硅，恶化产物的高温性能，同时使工艺控制困难、工艺范围窄。在原料中加入反应调节剂Mo时，工艺控制明显改善，极大地方便了生产。在毛坯孔隙率较低，硅钛化物氮化反应不完全时，硅可与钼反应生成二硅化钼，产物中无残留，反应完全，进而保证材料的优良性能。同时产物中MoSi₂、Mo等物质的存在，改善了产物的性能。

本发明采用的燃烧合成方法，即自蔓延高温合成(简称SHS)，是一种无机难熔材料的制备工艺；该方法利用原料合成反应时放出的大量反应热，使反应自维持下去直至反应结束，从而获得所需产物。