[发明专利]原位生成氮化铝-碳化硅固溶体复相陶瓷及其制备方法

说明书

一种原位生成氮化铝‑碳化硅固溶体复相陶瓷及其制备方法。其技术方案是：将Al₄SiC₄粉末和粘结剂混合，在5～50MP条件下预压成型，于100～300MPa条件下等静压成型，在110℃烘干，得到预制坯体。将预制坯体装入石墨坩埚内，然后将所述石墨坩埚置于热压炉内，在≤0.1mbar条件下以5～10℃/min的速率从室温加热至1100～1200℃，在保温条件下充N₂至2～10MPa，保压条件下以1～5℃/min的速率再加热至1900～2200℃，保压保温2～5h，自然冷却至室温，即得原位生成氮化铝‑碳化硅固溶体复相陶瓷。本发明工艺简单和操作方便，制备的原位生成氮化铝‑碳化硅固溶体复相陶瓷的密度低、质量轻、结构均匀致密、耐高温、抗氧化性能、抗水化性和强度高。

技术领域

本发明属于氮化铝-碳化硅固溶体复相陶瓷技术领域。具体涉及一种原位生成氮化铝-碳化硅固溶体复相陶瓷及其制备方法。

背景技术

AlN材料热导率高、电绝缘性好、强度大、硬度高、耐腐蚀、耐磨损和热膨胀系数低的良好的性能，在半导体材料、微波电子衰减材料及耐火材料等领域得到广泛应用。SiC热膨胀系数小、硬度高、机械强度大、抗化学腐蚀、耐磨性优良和化学性能稳定，被广泛应用于高温陶瓷、航空航天等许多领域。氮化铝和碳化硅虽是性能优异的陶瓷材料，但其本身也存在一些固有的缺点和局限性，在一定程度上限制了它们的发展和应用。目前制备复合材料是提高材料性能的一种有效途径，而AlN和α-SiC在原子尺寸、分子量、晶体结构、密度以及高温性能上均具有相似性，所以能够在较大的化学组成区域形成固溶体，两者之间具有在非氧化物陶瓷中极为罕见的强共价键，进一步增加了二者复合的可能性，有望改善两者固有缺点，提高材料的性能。

为了获得高性能的AlN/SiC固溶体复相陶瓷，国内外学者采用不同的技术路线和方法，如Wei等人(Wei W C J,Lee R R.Pressureless sintering of AlN-SiC composites[J].Journal ofMaterials Science,1991,26(11):2930-2936)采用无压烧结的方法制得AlN-SiC复合材料，发现添加烧结助剂Y₂O₃比CaO和Al₂O₃能更好地促进烧结体的致密化；且由于α-SiC与AlN结构相似，晶格常数相差极小，所以它比β-SiC能更好地与AlN致密结合并形成固溶体。谭寿洪等人(谭寿洪,岳勇.SiC-AlN固溶体的XRD和NMR研究[J].硅酸盐学报,1997,(3):345-349)同样采用无压烧结的方法，以6H-SiC为原料掺入少量A1N，在Ar气氛下于2050℃无压烧结制得了单相4H型SiC-AlN固溶体。Ruh等人(Ruh R,ZangvilA.Composition and properties of hot-pressed SiC-AIN solidsolutions[J].Journalof the American Ceramic Society,2010,65(5):260-265)采用热压烧结的方法，以β-SiC和AlN为原料在Ar气氛下于2100℃烧结，当AlN含量范围是35～100wt％时，合成了2H型固溶体。

上述方法制备AlN/SiC固溶体复相陶瓷，常采用多种原料机械混合后进行高温烧结，复相陶瓷内物相的分散性及均匀性不易控制，导致材料性能调控困难，同时长时间球磨AlN也会导致其水解，从而改变材料的化学组分，导致材料性能的降低。

另外，“一种AlN-SiC固溶体晶须及其制备方法”(CN 201710875873.0)同样采用单一的三元碳化物Al₄SiC₄为原料制得AlN/SiC固溶体晶须，但是对于块状致密试样，晶须仅在试样表面生成，其试样内部是否完全反应生成AlN/SiC固溶体，该专利技术并未说明。

发明内容