[发明专利]一种微波烧结塞隆陶瓷材料的方法

说明书

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种微波烧结塞隆陶瓷材料的方法。本发明采用微纳米级别的氮化硅粉末、氮化铝粉末以及氧化铝粉末为原料，并选取氧化钇、氧化镱、氧化镁、氮化硅镁和氧化钐其中的任几种为烧结助剂，经过微波烧结得到赛隆陶瓷材料。本发明采用微波烧结过程中微纳米级别的氮化硅粉末、氮化铝粉末以及氧化铝粉末发生原子置换，并添加烧结助剂，合成所需物相，能有效降低烧结致密化温度，材料微观组织更加均匀的同时可以提高生产效率，实现物相合成和致密化过程的一体化。本发明制备的陶瓷材料在保证基本完全致密的基础上，具有高硬度以及良好的断裂韧性，实际密度为3.233g/cm³，维氏硬度为14.3GPa，断裂韧性为7.28MPa·m^1/2。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种微波烧结塞隆陶瓷材料的方法。

背景技术

赛隆陶瓷是20世纪70年代初期，日本的学者与英国的Jack和Wilson在研究Si3N4-Al2O3体系时发现的一种Si3N4和Al2O3的固溶体。他们发现60％～70％的Al2O3固溶进β-Si3N4的晶格中，即Si3N4中的Si原子和N原子部分的被Al或(Al+M)(其中M为金属离子如Mg2+、Ca2+、Li+以及La3+等稀土离子)和O原子置换，因而有效地促进了氮化硅的烧结，形成了赛隆陶瓷。赛隆陶瓷综合了Si3N4和Al2O3优异的物理、力学性能，其硬度、耐磨性、强度和韧性高、热膨胀系数低、抗热震性和抗氧化性与SiC相当，因此受到广泛的关注。

Si3N4是强共价化合物，其扩散系数、致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度、烧结驱动力很小，决定了纯氮化硅不能靠常规固相烧结达到致密化。所以除用Si粉直接氮化的反应烧结外，其它方法需加入一定助烧剂与Si3N4粉体表面的SiO2反应形成液相，通过熔解-析出机制烧成致密材料。目前制备赛隆陶瓷的方法主要是无压、热压、热等静压、放电等离子烧结等烧结方式，但因传统烧结方式(无压、热压、热等静压)能耗高、效率低限制了陶瓷刀具的性能优化和规模化生产。另外，在压力烧结方式(热压、热等静压、放电等离子)，因受烧结过程中加压工艺的限制，只能制备形状简单的陶瓷样品。

微波加热从原理上与常规加热不同，微波加热是依靠材料在微波电磁场中的极化损耗产生整体加热，热量产生于材料加热内部而不是来自外部加热源，当微波穿透和传播到介电材料中时，内部电磁场使电子、离子等产生运动，而弹性惯性和摩擦力是这些运动受到阻碍，从而引起了损耗，这样就产生了体加热，因而具有与常规加热模式相反的温度梯度方向，也具备了许多常规加热无法实现的许多优点，如快速加热和烧结升温速度每分钟可达几十到几百度；整体性加热，材料内温场均匀，热应力小，热能转换率高，烧结件结构组织均匀且无污染，同时可以降低烧结温度，低于常规烧结温度几百度下，尤其是赛隆传统烧结温度高,微波烧结能抑制赛隆晶粒的生长，从而获得的超细晶粒的微观结构组织，有利于赛隆陶瓷的强度和韧性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波烧结塞隆陶瓷材料的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微波烧结塞隆陶瓷材料的方法，采用微纳米级别的氮化硅粉末、氮化铝粉末以及氧化铝粉末为原料，并添加烧结助剂组合，经过微波烧结得到赛隆陶瓷材料。

进一步的，所述氮化硅粉末、氮化铝粉末以及氧化铝粉末的质量百分比如下：氮化硅67.14-72.37wt.％，氮化铝6.48-6.98wt.％，氧化铝16.38-17.65wt.％，所述烧结助剂组合中各个烧结助剂的质量百分比如下：氧化钇1-9wt.％，氧化镱0-0.5wt.％，氧化镁0-0.5-1wt.％，氮化硅镁0-0.5wt.％，氧化钐0-1wt.％。

进一步的，所述烧结助剂组合中各个烧结助剂的质量百分比如下：氧化钇5wt.％，氧化镱0.5wt.％，按质量分数配料，氮化硅70.5wt.％，氮化铝6.8wt.％，氧化铝17.2wt.％。

进一步的，所述微纳米级别的氮化硅粉末、氮化铝粉末以及氧化铝粉末的粒径均为500-1000nm，烧结助剂的粉末粒径均为50nm。