[发明专利]一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料及致密异形氮化硅陶瓷材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氮化硅陶瓷材料的方法。

背景技术

氮化硅材料具有一系列优异的性能，例如：低密度、高强度、良好的抗热震性、耐磨性、断裂韧性、抗机械疲劳、抗蠕变性和抗氧化性能。Si₃N₄陶瓷在各领域中有广泛的应用，其中Si₃N₄晶须增强的Si₃N₄陶瓷可用在陶瓷刀具、拔丝模、轴承、涡轮转子、耐热增涡等多方面。要想获得具有优异性能的高度致密化的氮化硅陶瓷，不仅要优化材料的组成成分，而且要使用符合一定要求的氮化硅原始粉末。

氮化硅陶瓷材料具有一系列优异的机械性能及物理化学性能，因此它具有广泛的应用范围和开发前景，在工具陶瓷材料、高温结构材料、耐磨陶瓷材料和耐腐蚀陶瓷材料几个方面，氮化硅陶瓷具有极大的应用潜力和市场。十九世纪七十年提出了高速金属切割的概念，八十年代氮化硅基切削刀具进入了商业化，氮化硅刀具切削铸铁、硬质钢和镍基合金的表面速度达到用传统材料制造的刀具(如WC刀具)切削速度的25倍。现在陶瓷刀具市场中占主要市场的是细晶粒的Al₂O₃刀具，与Al₂O₃刀具相比，氮化硅刀具具有更高的韧性和适应切削时产生的温度快速变化，因此，相信只要降低制造成本，氮化硅陶瓷刀具将具有广阔的市场。它在冶金和热加工工业上被广泛用于测温热电偶套管、焊接夹具及固定装置、焊接喷嘴、铸模、柑塌、烧舟、马弗炉炉膛、燃烧嘴、发热体夹具、炼铝炉炉衬、铝液导管、铝包内衬、铝电解槽衬里、热辐射管、高温鼓风机和阀门等；钢铁工业上用作炼钢水平连铸机上的分流环。利用它耐磨性好、强度高、摩擦系数小和刚度高的特点，它被广泛用于机械工业上在高温条件下使用的轴承滚珠、滚柱、滚珠座圈、、柱塞泵、密封材料等。此外，它还被用于电子、军事和核工业上，如开关电路基片、薄膜电容器、高温绝缘体、雷达天线罩、导弹尾喷管、炮筒内衬、核反应堆的支承、隔离件和核裂变物质的载体等。

致密氮化硅陶瓷材料的制备方法较多，例如，热压烧结、SPS烧结等，但是这些方法只能制备平板材料，对于异形材料无法制备，同时其烧结成本高，烧结块体体积小，后续加工困难。制备异形材料的方法包括：冷冻成型，注浆成型等，这些成型方式制备的材料，其致密度低，强度差，实际使用存在较大困难。

发明内容

本发明的目的是要解决现有制备致密氮化硅陶瓷材料的方法成本高，烧结块体积小，后续加工困难，致密度低，强度差和制备致密异形氮化硅陶瓷材料致密度低和强度差的问题，而提供一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料及致密异形氮化硅陶瓷材料的方法。

一种水基流延成型制备致密氮化硅陶瓷材料的方法，是按以下步骤完成的：

一、添加烧结助剂：首先使用无水乙醇将氮化硅粉体和烧结助剂粉体混合，在搅拌速度为300r/min～350r/min的条件下搅拌20h～24h，然后在温度为50℃～80℃干燥10～12h，再机械粉碎，过筛，得到氮化硅/烧结助剂粉体；

步骤一所述的氮化硅粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的90%～95%；

步骤一所述的烧结助剂粉体占氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量的5%～10%；

步骤一所述的氮化硅粉体和烧结助剂粉体的总质量与无水乙醇的体积比为1g:(10mL～15mL)；

步骤一所述的烧结助剂粉体为Y₂O₃粉体和Al₂O₃粉体的混合物，且所述的烧结助剂粉体中Y₂O₃粉体与Al₂O₃粉体的质量比为3:2；

步骤一所述的氮化硅/烧结助剂粉体的粒径为1μm～5μm；

二、制备浆料：①向氮化硅/烧结助剂粉体中加入分散剂，调节pH至9～11，再加入去离子水，在搅拌速度为300r/min～350r/min的条件下搅拌10h～12h，得到氮化硅/烧结助剂悬浮液；②向氮化硅/烧结助剂悬浮液中加入聚乙烯醇溶液和甘油，在搅拌速度为300r/min～350r/min的条件下搅拌1.5h～2h，再加入正丁醇，真空度为0.1Pa～1Pa的条件下除泡0.5h～1h，得到浆料；

步骤二所述的分散剂为丙烯酸树脂；

步骤二所述的氮化硅/烧结助剂粉体的质量与分散剂的质量比为(99～99.5):1；