[发明专利]Hf-Si-O-N-M五元系统反应热压烧结制备HfN基复合陶瓷的方法

说明书

本发明提供了一种Hf‑Si‑O‑N‑M五元系统反应热压烧结制备HfN基复合陶瓷的方法，包括以下步骤：(1)HfO₂、Si₃N₄及M_xO_y(BaO、SrO及La₂O₃)粉料混合均匀得到混合物料；(2)将混合物料放入石墨模具内，在N₂保护下，以15～25℃/min的升温速率加热至保温温度1500～1600℃，并保温1～3h，然后随炉冷却，加热过程中，在炉温为1000～1400℃时开始向模具逐步加压，直至炉温达到保温温度时加压至保压压力15～25MPa，并保压1～2h。本发明通过引入强碱性氧化物结合热压烧结工艺，有效固定HfO₂‑Si₃N₄系统中挥发性的Si、N元素，促进HfO₂‑Si₃N₄取代反应生成HfN，生成相应的共存相，以达到降低反应温度和体系烧失率的目的，且反应生成的硅酸盐、含氮硅酸盐、铪酸盐物质可促进陶瓷的致密化，提高HfN基陶瓷材料致密度，提升陶瓷力学性能。

技术领域

本发明涉及陶瓷制备技术领域，具体地，涉及一种Hf-Si-O-N-M五元系统反应热压烧结制备HfN基复合陶瓷的方法。

背景技术

HfN作为IVB族金属氮化物，熔点为3310℃、显微硬度为16.4GPa，化学稳定性好，在0～150GPa压强下晶体结构不会发生改变，主要应用于高温防护涂层、陶瓷烧结添加剂、电子器件薄膜等领域。HfN与同族氮化物(TiN，ZrN)在性能上类似，但熔点更高，由于其制备条件更复杂、成本更高，故国内外HfN的相关研究较少。研究发现，直接由N₂氮化HfO₂制备HfN的方法实现起来非常困难，故HfN目前主要以氮化金属铪粉的方式生产。

但是，国内外对氮化铪陶瓷块体的制备研究同样很少，HfN陶瓷作为一种过渡金属氮化物陶瓷，具有高熔点、高硬度、高耐磨性和良好的耐腐蚀性等特点，但由于其具有的强共价键、高熔点和低扩散系数使其难以烧结致密。且现有技术多使用先制备HfN粉末，再进行烧结的“两步法”技术路线，增加了复杂性、提高了成本。因此，降低成本是HfN陶瓷生产中亟需解决的难题。

目前，我国碳化硅、氮化硅的应用主要集中于块状及磨料级微粉等初级产品，能耗高、产能及产品附加值低，因此，研发高附加值的产品是大力推行的新兴产业发展战略。利用成本较低Si₃N₄和的HfO₂可在高温下生成HfN和大量挥发气体(SiO和N₂)，但是由于氮化铪具有很强的共价键，高温下结构非常稳定，因此HfO₂-Si₃N₄二元系统在高温下生成HfN，此反应具有很大的烧失率且无法烧结致密。

因此，需要研发HfN基陶瓷的制备新工艺，以低成本的Si₃N₄和的HfO₂作为原料，在降低HfN基陶瓷的生产成本的同时，制备出高致密度、低烧失率且具有优异的力学性能的HfN基陶瓷。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种Hf-Si-O-N-M五元系统反应热压烧结制备HfN基复合陶瓷的方法，以低成本的Si₃N₄和的HfO₂作为原料，通过引入强碱性氧化物结合热压烧结工艺，有效固定HfO₂-Si₃N₄系统中挥发性的Si、N元素，促进HfO₂-Si₃N₄取代反应生成HfN，生成相应的共存相，以达到降低反应温度和体系烧失率的目的，且反应生成的硅酸盐、含氮硅酸盐、铪酸盐物质可促进陶瓷的致密化，提高HfN基陶瓷材料致密度，提升陶瓷力学性能。