[发明专利]氮化硅陶瓷、制备它们的硅基组合物以及它们的制备工艺

说明书

本发明涉及用于制备Si₃N₄陶瓷的淤浆状硅基组合物，它含有水作为分散介质。而且，本发明涉及从上述淤浆状硅基组合物制备的高强度致密Si₃N₄陶瓷以及它们的制备工艺。

当以硅粉末为起始原料制备陶瓷时，一直使用乙醇作为分散介质以确保硅粉末在混合/成型步骤中有效地分散，如在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.vol.60.pp51-61(1986)中所述。然而从工业角度看，使用乙醇的工艺必须装备昂贵的防爆设施，成为增加生产成本的一个原因。

另一方面，日本专利公开Nos.261662/1991和212279/1989提出了利用不需防爆设施的水作为分散介质的工艺。这些工艺通过在水中分散Si粉末，添加一种有机粘结剂，一种氮化剂等从而形成淤浆，将淤浆脱水、成型并加热以烧结成型体而制备Si₃N₄烧结体。

然而日本专利公开Nos 261662/1991和212279/1989中所描述的上述工艺中没有添加为最终烧结体的致密所需的烧结助剂。因此例如在日本专利公开No.261662/1991中清楚显示的那样所得的Si₃N₄烧结体不得不具有分散于其内的许多微孔。结果，预计Si₃N₄烧结体的弯曲强度很低。实际上，弯曲强度只能达到600Mpa或以下的低值。

上述传统工艺中没有向水基淤浆添加烧结助剂的原因在于，与在乙醇中的分散不同，硅粉末和烧结助剂在水中的分散很差，从而造成最终的样品内具有不均匀的密度。

鉴于至今的上述情况，本发明的目的是提供用于制备Si₃N₄陶瓷的淤浆状硅基组合物，它使用水作为分散介质并通过改善粉末在水中的分散从而含有烧结助剂，本发明的进一步目的是提供从上述硅基组合物制备的低廉的高强度致密Si₃N₄陶瓷。

为达到上述目的，根据本发明的淤浆状硅基组合物包括表面氧化膜厚度范围为从1.5到15nm的硅粉末、50到90％重量的水，0.2到7.5％重量的以氧化物表示的烧结助剂和0.05到3％重量的分散剂。硅基组合物的PH值被调节在8-12内。

该淤浆状硅基组合物的制备工艺包括，在空气中于200到800℃对硅粉末进行氧化处理，向硅粉末添加50到90％重量的水，0.2到7.5％重量的以氧化物表示的烧结助剂和0.05到3％重量的分散剂，调节PH值使最终混合物的PH值为8到12。

进而，使用上述淤浆状硅基组合物不仅能不需安装防爆设计设施就以较低成本制备Si₃N₄陶瓷，而且使所得的Si₃N₄陶瓷致密、均匀和高强。具体地说，能得到相对密度至少为96％、弯曲强度至少为800MPa的Si₃N₄陶瓷。

图1是利用EPMA观察到的本发明的Si₃N₄陶瓷组织的状态图，其中点表示作为烧结助剂的Y和Sm。

图2是用EPMA观察的从未经氧化处理的商业Si粉末的淤浆制备的Si₃N₄陶瓷组织的状态图，其中点也表示作为烧结助剂的Y和Sm。

图3是用EPMA观察的从利用乙醇的原有技术的淤浆制备的Si₃N₄陶瓷组织的状态图，其中点也表示作为烧结助剂的Y和Sm。

本发明中，通过处理硅粉末的表面、调整作为分散介质的水的含量，调节淤浆的PH值并添加分散剂，优选地添加有机粘结剂而改善硅粉末和烧结助剂在水中的分散，从而能进行水混合步骤和成型步骤。相应地，可以不需要装防爆设施就能处理本发明的淤浆状硅基组合物，从而能提供廉价的Si₃N₄陶瓷。

通过在空气中于200到800℃对商业得到的Si粉末进行氧化处理，从而在Si粉末表面形成厚度尺寸为1.5到15nm大小的氧化膜，得到本发明中所用的Si粉末。虽然商业Si粉末表面上氧化膜的厚度一般在0.3到1.0nm的范围，但对它在空气中于200到800℃进行氧化处理便能调整氧化膜的厚度以使其范围为从1.5到15nm。氧化膜的上述厚度值是根据粉末的氧含量和比表面积的测量结果估计的。