[发明专利]以氮华物作烧结助剂的氮化硅基陶瓷

说明书

本发明涉及一类Si₃N₄陶瓷，采用氮化物AlN-ZrN添加剂（以下简称AZ型添加剂）作为Si₃N₄的烧结助剂，促进其烧结致密化，使Si₃N₄基陶瓷的密度接近理论密度，这类陶瓷具有优良的高温抗氧化性和高温抗弯强度，适于作为高温条件下工作的结构陶瓷使用;或者具有优良的常温力学性能，适于作为常温条件下工作的结构陶瓷使用。

Si₃N₄陶瓷已被公认为最有前途的高温结构陶瓷材料之一。由于Si₃N₄是高共价键化合物，通常需要加入MgO或Y₂O₃，Al₂O₃CeO₂等氧化物（或同时加入AlN）作为烧结助剂，在烧结或热压过程中促进其致密化。在高温下，氧化物与Si₃N₄粉末表面的SiO₂生成主要由硅酸盐组成的液相，通过液相烧结达到致密化。但由此在晶间残留软化点较低的玻璃相，使Si₃O₄陶瓷的高温性能显著下降。

采用氮化物添加剂作为Si₃N₄的烧结助剂以取代氧化物添加剂可减少或避免硅酸盐的产生，但由此形成液相减少，难以通过通常的热压或烧结工艺达到致密化。在这方面比较成功的工作是S.Prochazka和C·D·Greskovich采用BeSiN₂作为Si₃N₄的烧结助剂，制得了具有优良抗氧化性和高温力学性能的致密化Si₃N₄材料。但BeSiN₂有毒性，而且这样制得的Si₃N₄陶瓷断裂韧性较低（K_IC＝4MPam]]>），难以作为高温结构陶瓷推广使用。

本发明的目的是为克服氧化物作为烧结助剂所产生的玻璃相和BeSiN₂作为烧结助剂所产生的毒性，采用AIN-ZrN添加剂作为烧结助剂，使Si₃N₄通过热压或烧结工艺达到致密化，而且提高了Si₃N₄的常温力学性能和高温抗氧化性能。

本发明采用AIN-ZrN添加剂作为Si₃N₄的烧结助剂，在该添加剂中AIN含量可在0-100%（重量百分比）内变动。其优先选择范围AIN含量为30-70%。本发明添加剂加入量可在5-50m%内变动（克分子百分数）其优先选择范围为10-25m%。按照本发明制得的混合料在热压或烧结条件下可达高致密化，密度接近理论值，并且具有优良的高温性能和常温力学性能。根据其AIN含量不同，性能有所变化，下面列表将本发明的基本性能与用氧化物作为添加剂的Si₃N₄基陶瓷基本性能加以对比。（见表1）

本发明的优点不仅在于克服氧化物添加剂所产生的玻璃相和BeSiN₂添加剂所产生的毒性，而且提高了高温力学性能和抗氧化性能，在不进行常规添加剂制得的Si₃N₄陶瓷的结晶化处理便可得到上述力学性能。适合于作高温结构陶瓷，适应于1250-1400℃的高温，高应力工作条件。

实施例

采用含α-Si₃N₄93.4%。B-Si₃N₄5.9%游离Si0.7%的Si₃N₄粉末，采用氮化物AlN+ZrN作为烧结助剂，其加入总量∑（AlN+ZrN）m%＝15m%Si₃N₄，以无水酒精作为介质进行球磨，经干燥过筛后，在保护气氛热压炉内于N₂气下进行热压。根据烧结助剂中AlN/ZrN比不同，制得如下表中所示的具有不同性能的Si₃O₄基陶瓷。（表2）