[发明专利]一种共晶增强增韧氮化硅陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种共晶增强增韧氮化硅陶瓷的制备方法，属于陶瓷制备技术领域。本发明方法使氮化硅材料中形成α和β相的共晶组织，获得一种氮化硅增强增韧陶瓷，该陶瓷的相对密度99％，断裂韧性10MPa·m^1/2，维氏硬度18Gpa，抗弯强度600MPa。所述方法包括以下步骤：1)将氮化硅原料及烧结助剂等按照比例混合，混合均匀后的粉末通过放电等离子体烧结(SPS)，获得相对密度99％，α相含量90％的一次烧结体；然后进行气压烧结，从而生成α/β共晶组织。本发明制备的氮化硅陶瓷除具备传统氮化硅陶瓷(强度高、致密性好、耐高温、耐磨)的特点外，断裂韧性及塑性得到明显提高，可广泛应用于特种材料领域。

技术领域

本发明属于陶瓷制备技术领域，涉及一种高性能氮化硅陶瓷制备方法，特别涉及一种制备具有α/β共晶组织的氮化硅陶瓷的工艺技术。

背景技术

氮化硅陶瓷具有低密度、高导热系数、高硬度、良好的热稳定性和化学稳定性等多种优异性能，是结构陶瓷家族中综合性能最为优良的一类材料，广泛应用于陶瓷发动机、切削刀具、导热基板等领域。然而，陶瓷材料固有的脆性却限制了氮化硅的进一步应用与推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备具有α/β共晶组织的氮化硅陶瓷的工艺方法，使制得的氮化硅陶瓷相对密度99％，断裂韧性10MPa·m^1/2，维氏硬度18Gpa，抗弯强度600MPa，且可以承受1-3％的应变不产生断裂。

本发明的技术方案如下。一种共晶增强增韧氮化硅陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：

(1)准备原料：将以下组分混合均匀，得到混合物；

氮化硅粉；70-90wt％，

烧结助剂；5-20wt％，

相变抑制剂；1-10％；

(2)将步骤(1)所得混合物进行放电等离子体烧结(SPS)，得到一次烧结体；

(3)将步骤(2)所得物进行气压烧结，得到具有α/β共晶组织的氮化硅陶瓷。

根据本发明的一种实施方式，在所述方法中，例如，步骤(1)中所述氮化硅粉原料的纯度99wt％；所述氮化硅粉平均粒径在0.5-2μm，所述氮化硅粉末的α相含量为95wt％。

根据本发明的一种实施方式，在所述方法中，例如，步骤(1)中所述烧结助剂选自Al₂O₃、MgO、SiO₂、Y₂O₃、ZrO₂、R₂O₃(R代表稀土元素，如La、Lu、Yb等)、MgSiN₂中的至少一种。

根据本发明的一种实施方式，在所述方法中，例如，步骤(1)中选用CaO作为相变抑制剂。

根据本发明的一种实施方式，在所述方法中，例如，步骤(1)所述的混合方式包括砂磨、球磨、搅拌磨。

根据本发明的一种实施方式，在所述方法中，例如，所述步骤(2)包括：将步骤(1)所得混合物干燥，过60-200目筛，布料于SPS模具内，然后将所述反应模具放置在放点等离子烧结装置内，抽真空后，对原料加压，同时通电加热进行烧结；反应结束后，同时通循环水进行冷却；最终得到一次烧结产物；优选的，所述烧结压力范围为10-100MPa，烧结温度为1500℃，保温时间为5min。