[发明专利]具有结晶晶界相的自增强氮化硅陶瓷及制备方法

说明书

本发明涉及氮仳硅（Si₃N₄）陶瓷体，以及制备该陶瓷体的工艺。

众所周知氮化硅陶瓷具有极好的机械和物理性能，包括良好的抗磨损性，低热膨胀系数，良好的抗热震性，高抗蠕变性以及高电阻率。另外，氮化硅陶瓷能抗化学侵蚀，特别是抗氧化。由于这些特性，氮化硅在各种磨损和高温场合下非常有用，例如用作切削刀具和泵及发动机的部件。

氮化硅陶瓷的缺点一般与其脆性和裂纹有关。于是本发明的目标在于制备一种具有高断裂韧性（KIC）和强度的氮化硅陶瓷。断裂强度和断裂韧性成正比，与裂纹尺寸的平方根成反比。于是非常希望有高的断裂韧性和小的裂纹尺寸。然而，单相氮化硅具有较低的断裂韧性，为大约5MPa（m）^1/2。

为了获得充分致密的氮化硅陶瓷，象氧化镁这样一种致密助剂，几乎总是必需的。在烧结时，致密助剂通常形成振动态晶界相，它作为基质，结晶氮化硅的晶粒夹嵌在其中。不利的是，玻璃相使得陶瓷在高温下强度降低且抗蠕变性差，玻璃相也使得在高温下抗氧化性变差。

如果晶界相是结晶相而不是玻璃相的话，所报导的氮化硅陶瓷的高温材料性能可以改善。例如，A.Tsuge，K.Nishida和M.Komatsu的文章，见Journalof Americam Ceramic Society（《美国陶瓷协会学报》），58，（1975）323-326，一种含有结晶晶界相的热压氮化硅陶瓷，结晶晶界相为Si₃N₄·Y₂O₃，是通过预烧然后热压以氮化硅和氧化钇为主的粉末制备而成的。与具有氧化钇的玻璃态晶界相的氮化硅陶瓷相比，所公开的陶瓷具有改善的高温强度。不利的是，预烧并热压的陶瓷不具有足够的强度和韧性，以满足目前的商业标准。

US 4，920，085公开了一种氮化硅烧结体，它包括β-Si₃N₄，进一步包括结晶晶界相，其含量占总的晶界相的量小于90%（重量），其余的为玻璃态组成。结晶相含有一种或多种化学计量组成M₄Si₂O₇N₂，M₁₀Si₂O₂₃N₄或MSiO₂N，其中M是Sc，Tb，Er，Ho，或Dy。不利的是，这种烧结体具有相当量的玻璃界相，它降低了强度和抗蠕变性。

US4，883，776公开了一种制备氮化硅的工艺，该氮化硅体的断裂韧性大于6MPa（m）^1/2，并且含有平均纵横比为至少2.5的β-氮化硅晶须。该工艺包括热压一种粉末混合物以形成坯体。该混合物包括氮化硅，氧化镁作为致密助剂，氧化钇作为转化助剂，以及氧化钙作为促进形成β-氮化硅晶须的化合物。

US  4，919，689公开了由US  4，883，776的工艺所制备的氮化硅体。

本发明的一个方面是一种制备自增强氮化硅陶瓷体的工艺，该陶瓷体含有以具有高平均纵横比（长度与直径之比）的β-氮化硅晶须为主的相，并且进一步含有具有一种氮氧化合物磷灰石结构的结晶晶界相。就本发明的目标，“高”的平均纵横比指是平均纵横比为至少2.5。该工艺包括使下列粉末的混合物：

（a）氮化硅的量足以提供一种陶瓷体;

（b）一种致密助剂包括一种Sr源，以及任选地，选自Ba，Ca，Li，Na或其混合物的元素源，所说的源的量足以促进粉末的致密化;

（c）一种转化助剂，包括选自Y，La，Ca，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Yb，Th或其混合物的元素源，所说的源的量足以促进起始氮化硅向主要是β-氮化硅的转化。

（d）至少一种晶须生长加强化合物，其量足以促进形成β-氮化硅晶须，所说的化合物是选自Ca，Li，Na，Sc，Ti，Al，或其混合物的元素的氧化物或非氧化物衍生物，但以该元素不同于致密助剂（b）的任选组分的元素为条件;并且

（e）氧化硅的量足以提供一种氮氧化合物磷灰石结晶晶界相;