[发明专利]一种基于外场辅助技术的氮化硅基梯度复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于陶瓷材料的技术领域，尤其涉及一种基于外场辅助技术的氮化硅基梯度复合材料及其制备方法。本发明的制备方法，包括：将Si₃N₄基体材料，导电第二相材料，氧化铝稀土氧化物的混合物和溶剂混合，得到氮化硅基复相陶瓷浆料；将氮化硅基复相陶瓷浆料经干燥和造粒后，得到氮化硅基复相陶瓷混合粉末，将至少两种氮化硅基复相陶瓷混合粉末依次置于模具中，再进行放电等离子烧结，得到氮化硅基梯度复合材料。其中，相邻两层氮化硅基复相陶瓷混合粉末的导电第二相材料的粒径、种类和添加比例至少一项不相同。本发明能快速精确可控制备不同氮化硅物相组成/显微结构/性能的氮化硅基梯度复合材料。

技术领域

本发明属于陶瓷材料的技术领域，尤其涉及一种基于外场辅助技术的氮化硅基梯度复合材料及其制备方法。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有综合机械性能高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特点，作为重要的结构陶瓷材料，被广泛应用于航空航天、装备制造、能源化工、生物医疗等领域。随着现代工业技术的发展，对材料性能的要求也不断提高，进而出现了多种物相(如SiC、TiN、TiC、BN、WC等)增强的Si₃N₄复合材料；在此基础上，进一步通过宏观、微观尺度下的结构设计，可以实现不同应用环境下材料性能的优化与完善。

梯度功能材料是材料多尺度结构设计的一个重要应用。梯度功能材料(functionally gradient materials,FGM)是两种或多种材料复合且成分和结构变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。

目前，有关Si₃N₄基梯度陶瓷材料已有大量研究，例如：Blugan等人使用热压烧结方法，通过改变TiN含量，制备出Si₃N₄-TiN复合梯度材料(Journal of the American CeramicSociety 88(2005)926-933)；Tian等人使用热压烧结方法，通过改变Si₃N₄粉体粒径以及压制样品的层厚，制备出多层Si₃N₄-(W,Ti)C梯度材料(Ceramics International 42(2016)13497-13506)。然而，通过改变梯度材料分层系统的组分与含量，并结合常规的热压烧结方法，虽可以实现Si₃N₄基梯度材料的制备，但却存在制备工艺复杂、烧结时间长、物相组成难以控制、界面区域易形成缺陷等诸多问题。