[发明专利]一种对称且连续变化的表硬心韧氮化硅梯度陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明属于非氧化物基陶瓷材料领域，公开了一种对称且连续变化的表硬心韧Si₃N₄梯度陶瓷及其制备方法和应用。该陶瓷是将Si₃N₄粉和烧结助剂Al₂O₃‑Re₂O₃混合，将得到的Si₃N₄‑Al₂O₃‑Re₂O₃混合粉体通过放电等离子烧结制得。所得陶瓷的相对密度为96～99％，该陶瓷包括边缘α‑Si₃N₄相和中心α‑Si₃N₄相；边缘α‑Si₃N₄相的含量为30～70wt.％，硬度为19～22GPa，断裂韧性为3～5MPa·m^1/2；中心α‑Si₃N₄相的含量为5～35wt.％，硬度为16～20GPa，断裂韧性为5～7MPa·m^1/2，该Si₃N₄梯度陶瓷可应用在刀具领域中。

技术领域

本发明属于非氧化物基陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种对称且连续变化的表硬心韧氮化硅(Si₃N₄)梯度陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷在结构陶瓷中占有重要的地位，具有高的强度、高硬度和高断裂韧性，良好的热稳定性、抗氧化性及化学稳定性等，广泛应用于燃气发动机的耐高温部件、化学工业中的耐腐蚀耐磨零件、高速切削刀具以及陶瓷轴承等。

目前，有关Si₃N₄梯度陶瓷的研究已有很多，但大多集中在分层系统设计上，即通过改变层间配方或烧结温度而获得梯度结构。例如，Hadad等人通过改变层间TiN的含量制备了Si₃N₄-TiN复合梯度陶瓷材料，但由于Si₃N₄与TiN热膨胀系数不同而导致在界面处形成残余应力。Yu等人通过两步热压烧结法即改变心部和表层烧结温度而实现表硬心韧Si₃N₄基梯度陶瓷材料的制备，同时也通过热压与放电等离子烧结结合法即改变心部和表层烧结方式而实现表硬心韧Si₃N₄基梯度陶瓷材料的制备，但以上两种制备方法工艺复杂，成本较高。此外，Belmonte等人也通过对放电等离子烧结模具进行设计以实现连续变化的Si₃N₄梯度陶瓷的制备，但其性能不对称使应用范围受到限制。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种对称且连续变化的表硬心韧Si₃N₄梯度陶瓷。

本发明的另一目的在于提供上述对称且连续变化的表硬心韧Si₃N₄梯度陶瓷的制备方法。该方法通过低压放电等离子烧结的方法实现对称且连续变化的表硬心韧Si₃N₄梯度陶瓷的制备。

本发明的再一目的在于提供上述对称且连续变化的表硬心韧Si₃N₄梯度陶瓷的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：