[发明专利]一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法

说明书

本发明公开了一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法，该烧结助剂包含：金属氮化物、稀土金属氧化物和金属氧化物。其中，金属氮化物：稀土金属氧化物：金属氧化物的质量比为3～5：3.5～4.5：1.5～2.5；金属氮化物包含：氮化钒。本发明的陶瓷材料为氮化硅陶瓷，其通过添加上述烧结助剂，细化了氮化硅晶粒，制备得到的氮化硅陶瓷的强度大，韧性好，抗弯折能力强。

技术领域

本发明涉及一种氮化硅陶瓷，具体涉及一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法。

背景技术

作为高温结构陶瓷重要成员之一的氮化硅陶瓷，较其它高温结构陶瓷，如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等，更具有优异的力学性能、热学性能、化学稳定性及抗有色金属熔体侵蚀性，是陶瓷发动机首选陶瓷材料，被认为是高温结构陶瓷中最有发展潜力的材料，广泛应用于机械、海洋工程、航空航天、化工等重要领域。

氮化硅为无机共价化合物，有两个结晶相，α和β。α型是等轴状晶粒，硬度较高；β型是棱柱状晶粒，具有较高的强度和断裂韧性。纯氮化硅难以烧结致密，通常需要添加烧结助剂，在高温下产生液相，通过液相烧结达到致密化，同时液相烧结过程中往往伴随着相变的发生。因此，烧结助剂是影响氮化硅陶瓷显微结构和性能的关键因素之一，有效的烧结助剂不仅可以降低体系烧结温度，改善材料显微结构，而且可以显著提高材料的力学性能。常用的氮化硅烧结助剂有氧化铝、氧化钇、氧化镁等，它们在烧结中所起的作用各不相同，目前研究的主要是各种复合氧化物添加剂，采用上述烧结助剂时氮化硅的烧结温度通常大于1700℃，得到的多为β-Si₃N₄为主相的陶瓷材料。

由于氧化物作为烧结助剂会在烧结时液相中引入大量氧杂质，提高了氮化硅陶瓷晶格内氧杂质，从而使氮化硅晶粒增大，降低了硬度、韧性、抗弯强度，并且使氮化硅陶瓷的热导率降低。

在钢铁工业中，氮化钒(VN)主要在钢中发挥细化晶粒、提高热导率和沉淀硬化的作用，VN除广泛应用于冶金材料外，还应用于陶瓷、电子、高温涂层材料等领域，越来越受关注。

经对现有技术文献的检索发现，公开号为CN105439620A的中国专利公开了一种放电等离子烧结氮化硅的方法，该方法的不足在于烧结助剂为MgO、Al₂O₃、Y₂O₃中的一种或几种，烧结助剂全为氧化物使得烧结所得试样的抗弯强度较低，在40～70MPa。

经文献检索还发现，杨亮亮等在《硅酸盐学报》(2015年12月，第43卷第12期，第1712-1718页)发表了“MgO–Al₂O₃–CeO₂复合烧结助剂对放电等离子烧结氮化硅陶瓷致密化和性能的影响”，具体方法为：采用放电等离子烧结工艺制备氮化硅陶瓷，混合粉体中Si₃N₄、MgO、Al₂O₃和CeO₂的质量比为91：3：3：3，烧结温度为1500-1650℃，该方法所得到的氮化硅产物的断裂韧性较低，为8.82MPa·m^1/2，对烧结性能有所影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法，解决了现有技术的氮化硅陶瓷抗弯强度和断裂韧性较低等问题，其氮化硅晶粒细化，陶瓷的强度大，韧性好，抗弯折能力强。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，该烧结助剂包含：金属氮化物、稀土金属氧化物和金属氧化物。

其中，所述的金属氮化物：稀土金属氧化物：金属氧化物的质量比为3～5：3.5～4.5：1.5～2.5。

其中，所述的金属氮化物包含：氮化钒。

所述的稀土金属氧化物包含：氧化钇。