CN100432017C - 快速制备高强度氮化硅-氮化硼可加工陶瓷的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速制备高强度氮化硅-氮化硼可加工陶瓷的方法，属于结构陶瓷制备技术领域。纳米BN包覆Si₃N₄颗粒表面后热压烧结制备Si₃N₄-BN可加工陶瓷工艺复杂冗长，制备效率低，成本高。本发明的特征在于：烧结添加剂Y₂O₃-Al₂O₃与Si₃N₄、h-BN粉末球磨混合、干燥后，装入模具中，将装有物料的模具置于放电等离子烧结炉中，抽真空以150-250℃/min的速度升温到1600-1700℃，在30-50MPa的压力下烧结3-8分钟后随炉冷却，获得致密的Si₃N₄-BN复相陶瓷。该方法烧结时间短，烧结温度低，工艺过程简单快速，因而制备成本低；所得到的陶瓷材料同时具有高的弯曲强度和良好的可加工性。

Description

快速制备高强度氮化硅-氮化硼可加工陶瓷的方法

技术领域

一种快速制备高强度氮化硅-氮化硼可加工陶瓷的方法，属于结构陶瓷制备技术领域。

背景技术

含六方氮化硼(h-BN)弥散相的Si₃N₄陶瓷是目前综合性能最为突出的一类可加工陶瓷。不仅保持和提高了Si₃N₄陶瓷优良的高温强度、抗蠕变、抗热震等性能，而且还赋予材料出色的耐熔融金属腐蚀性能，低杨氏模量，以及能够用硬质合金刀具进行精密机械加工，满足复杂形状构件对材料成型的苛刻要求。

由于h-BN弯曲强度很低(100MPa左右)，添加到陶瓷基体中会导致强度劣化，而且h-BN粉末团聚不易打开，在烧结过程中很容易聚集生长形成大的缺陷，致使材料实际强度与Si₃N₄陶瓷相比降低幅度过大，其力学可靠性无法满足高端应用要求。从制备方法来看，当Si₃N₄-BN陶瓷具有良好的可加工性(BN＞20％)时，采用热压烧结工艺得到的弯曲强度仅为400-500MPa，强度的损失达到50％以上(Si₃N₄陶瓷为900-1400MPa)，而采用无压烧结获得的Si₃N₄-BN陶瓷弯曲强度则更低。要获得高强度Si₃N₄-BN可加工陶瓷，其显微组织必须满足这样的特点，即以长柱状β-Si₃N₄晶粒形成互锁框架结构，h-BN晶粒经可能保持细小且均匀弥散在晶界，不聚集长大。日本人Kusunose T等利用复杂的前驱体制备工艺将纳米级BN包覆到Si₃N₄颗粒表面，以此消除h-BN晶粒团聚的问题，并且在热压烧结后h-BN晶粒保持在纳米级范围内，他们制备的Si₃N₄-BN可加工陶瓷(BN体积含量20％-40％)弯曲强度因此达到约850-1100MPa(Kusunose T，Sekino T，Choa Y H，Niihara K.J Am Ceram Soc，2002，85：2678-2688)，然而其工艺包括复杂的前驱体反应包覆过程，以及采用热压烧结需要高的烧结温度(1800-1850℃)和长时间保温(2-4h)，工艺复杂冗长，周期长达7天(甚至更长)，制备效率非常低，制备成本很高，从而很大程度上限制了此类材料的应用。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的是提供一种快速低温制备高强度、易加工的Si₃N₄-BN复相陶瓷的方法。该方法通过以下技术构想来实现：利用Si₃N₄和h-BN烧结扩散系数的差异，采用合适的烧结添加剂，利用放电等离子烧结技术低温快速的特点，实现对该体系的烧结，使Si₃N₄充分致密化，形成柱状β-Si₃N₄晶粒互锁结构，而h-BN基本不参与致密化过程，晶粒尺寸仍旧停留在原始颗粒大小或者长幅很小；同时由于焦耳热的作用，粉末表面的温度迅速升高，同时对模具内的粉末施加高的压力，加速粉末的流动性，可以有效打开h-BN粉末团聚体，使h-BN细晶均匀弥散在Si₃N₄基体中。以此来形成理想的显微组织，实现高强度和可加工性的统一。

一种快速制备高强度氮化硅-氮化硼可加工陶瓷的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)称取平均粒径0.3-1um的Si₃N₄微粉和平均粒径0.3-1um的h-BN微粉，其中h-BN体积含量20％-40％，其余为Si₃N₄；

2)加入添加剂Y₂O₃-Al₂O₃，其重量为最终混合后物料的6％-10％；

3)将物料在无水乙醇中球磨混合12-48小时，经干燥后，装入模具中；

4)将装有物料的模具置于放电等离子烧结炉中，预先固定压强30-50MPa，抽真空至10Pa以下，以150-250℃/min的速度升温到1600-1700℃进行烧结，烧结电流脉冲比12∶1，烧结时间3-8分钟；

5)烧结结束后样品随炉冷却，获得致密的Si₃N₄-BN复相陶瓷。

本发明的优点在于工艺过程简单(仅需对原料粉进行机械混合)，烧结时间短(总过程在30分钟以内)，具有节能高效快速的特点，为实现具有高强度Si₃N₄-BN可加工陶瓷的简单、快速、低成本制备提供一条新途径。利用本发明方法制备出的材料同时具有高强度、可加工的性能特点。

附图说明

图1为实施例1-3所制备的Si₃N₄-BN复相陶瓷的XRD图谱；可以看出，在烧结以后，大部分的Si₃N₄由α相转变为β相，仅有少量α-Si₃N₄残存，BN含量减小，相变越完全。

图2为实施例1所制备的Si₃N₄-BN复相陶瓷的断面SEM照片；可以看出，烧结后h-BN(图中呈板状或片状的晶粒)有所长大，但仍保持在1um左右，分布均匀。

图3为实施例2所制备的Si₃N₄-BN复相陶瓷的抛光腐蚀表面SEM照片；可以看出，烧结后显微组织精细均匀，由大长径比的β相Si₃N₄柱状晶粒构成(h-BN在腐蚀过程中已被去掉)。

图4为实施例2所制备的Si₃N₄-BN复相陶瓷的断面SEM照片；可以看出，烧结后h-BN(图中呈细小棒状或颗粒状的晶粒)显著小于1um，基本保持了起始h-BN颗粒的尺寸，并且没有明显聚集和大的团聚体。

图5为实施例3所制备的Si₃N₄-BN复相陶瓷的断面SEM照片；可以看出，烧结后h-BN(图中呈片状或颗粒状的晶粒)晶粒尺寸依然很小，大部分小于1um，基本保持了起始h-BN颗粒的尺寸；由于h-BN含量较大，已经出现一些聚集体，少量晶粒长大超过1um。

具体实施方式

实施例1：

称取平均粒径1μm的Si₃N₄微粉和平均粒径0.5μm的h-BN微粉，其中h-BN体积含量占20％，再加入Y₂O₃-Al₂O₃，其重量占最终混合物料6％，在无水乙醇中球磨混合12小时，干燥后，装入石墨模具中，置于放电等离子烧结(SPS)炉中，室温下预先固定压强30MPa，抽真空至8Pa后，以250℃/min的速度升温到1600℃进行烧结，烧结电流脉冲比12∶1，烧结时间3分钟。烧结结束后样品随炉冷却，得到Si₃N₄-BN复相陶瓷。经测定Si₃N₄-BN复相陶瓷的相对密度为94.2％，弯曲强度为σ_f3＝1111MPa，能够用硬质合金刀具进行精密机械加工。

实施例2：

称取平均粒径0.5μm的Si₃N₄微粉和平均粒径0.3μm的h-BN微粉，使h-BN体积含量占30％，再加入Y₂O₃-Al₂O₃，其重量占最终混合物料8％，在无水乙醇中球磨混合24小时，干燥后，装入石墨模具中，置于放电等离子烧结(SPS)炉中，室温下预先固定压强40MPa，抽真空至8Pa后，以150℃/min的速度升温到1650℃进行烧结，烧结电流脉冲比12∶1，烧结时间5分钟。烧结结束后样品随炉冷却，得到Si₃N₄-BN复相陶瓷。经测定Si₃N₄-BN复相陶瓷的相对密度为93.7％，弯曲强度为σ_f3＝920MPa，能够用硬质合金刀具进行精密机械加工。

实施例3：

称取平均粒径0.3μm的Si₃N₄微粉和平均粒径0.3μm的h-BN微粉，使h-BN体积含量占40％，再加入Y₂O₃-Al₂O₃，其重量占最终混合物料10％，在无水乙醇中球磨混合48小时，干燥后，装入石墨模具中，置于放电等离子烧结(SPS)炉中，室温下预先固定压强50MPa，抽真空至6Pa后，以200℃/min的速度升温到1700℃进行烧结，烧结电流脉冲比12∶1，烧结时间8分钟。烧结结束后样品随炉冷却，得到Si₃N₄-BN复相陶瓷。经测定Si₃N₄-BN复相陶瓷的相对密度为93.8％，弯曲强度为σ_f3＝702MPa，能够用硬质合金刀具进行精密机械加工。

Claims (1)

1.一种快速制备高强度氮化硅-氮化硼可加工陶瓷的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)称取平均粒径0.3-1um的Si₃N₄微粉和平均粒径0.3-1um的h-BN微粉，其中h-BN体积含量20％-40％，其余为Si₃N₄；

2)加入添加剂Y₂O₃-Al₂O₃，其重量为最终混合后物料的6％-10％；

3)将物料在无水乙醇中球磨混合12-48小时，经干燥后，装入模具中；

4)将装有物料的模具置于放电等离子烧结炉中，预先固定压强30-50MPa，抽真空至10Pa以下，以150-250℃/min的速度升温到1600-1700℃进行烧结，烧结电流脉冲比12∶1，烧结时间3-8分钟；

5)烧结结束后样品随炉冷却，获得致密的Si₃N₄-BN复相陶瓷。

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