專利名稱：一種以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化硅陶瓷制備工藝技術(shù)，具體涉及一種以磷酸鹽為燒結(jié)助劑低成本制備氮 化硅陶瓷的工藝方法。
(二)
背景技術(shù)：
氮化硅陶瓷是一種被廣泛應(yīng)用于航天、機(jī)械等各個(gè)行業(yè)的結(jié)構(gòu)材料，因其具有密度低、 強(qiáng)度高、抗熱震性好、使用溫度高等優(yōu)越的性能吸引了很多研究人員的關(guān)注。氮化硅陶瓷的 制備方法可以分為熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)等，其中無(wú)壓燒結(jié)由于具 有可連續(xù)生產(chǎn)、產(chǎn)率高，而且可以制備大尺寸構(gòu)件和形狀復(fù)雜構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多研 究人員的重視。在以往的研究中，眾多研究報(bào)告和專利側(cè)重于在氮化硅粉末中混合稀土氧化 物，進(jìn)行冷壓后再無(wú)壓燒結(jié)的方法。但是由于稀土氧化物價(jià)格比較昂貴，而且其燒結(jié)溫度也 較高，因此提高了制成品的成本，限制了氮化硅陶瓷復(fù)合材料在工程方面的大規(guī)模應(yīng)用。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，可制備復(fù)雜形狀構(gòu) 件的以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷及制備方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它是一種將磷酸鹽引入氮化硅，并通過(guò)冷壓后無(wú)壓燒結(jié)的 方法得到的氮化硅基復(fù)合陶瓷，包括質(zhì)量比8: 2~9: 1混合的氮化硅粉體和磷酸鹽粉體，原
料的純度均在99%以上，粒徑在l~20pm，磷酸鹽粉體包括磷酸鈣或磷酸鋁，其質(zhì)量占總質(zhì) 量的10~20%。
本發(fā)明中的以磷酸鹽為燒結(jié)助劑制備氮化硅陶瓷復(fù)合材料的工藝方法，按以下歩驟實(shí) 現(xiàn)首先將氮化硅粉體和磷酸鹽粉體按照質(zhì)量比8: 2 9: 1配比混合，原料的純度均在99%
以上，粒徑在l~20pm，其次是混合粉末的預(yù)壓成型和冷等靜壓處理，最后對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)， 其中，磷酸鹽粉體為磷酸鈣或磷酸鋁，其質(zhì)量占總質(zhì)量的10~20%。
本發(fā)明以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷的制備方法還有這樣一些技術(shù)特征-
1、所述的制備方法步驟包括
(1)將氮化硅粉體和磷酸鹽粉體按照設(shè)計(jì)好的成份裝入研磨罐中，加入2倍粉體質(zhì)量的 乙醇，以及2 5倍粉體質(zhì)量的氧化鋯球，在球磨機(jī)上持續(xù)濕混12-24小時(shí)。濕混過(guò)程結(jié)束后，加熱烘干去除酒精，得到混合均勻的原料粉末；
(2) 冷壓成型將混合均勻的原料粉,放入設(shè)計(jì)尺寸的模具中，施加3-5MPa的壓力， 保壓2-3min后脫模，得到初歩成型的試樣；預(yù)壓后的試樣裝入完好的橡膠袋中，抽至真空后 密封；將密封好的橡膠袋放入冷等靜壓機(jī)中進(jìn)行冷等靜壓處理，冷等靜壓工藝為壓力 200MPa，保壓時(shí)間5min;
(3) 陶瓷燒結(jié)將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣放入石墨罐中進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，石墨罐內(nèi)壁均勻涂 抹氮化硼，用以防止石墨向氮化硅中擴(kuò)散，為了防止氮化硅分解和促進(jìn)燒結(jié)，采用埋粉保護(hù) 和N2氣氛保護(hù)，埋粉選用與原料同一批次的氮化硅粉，N2壓力為latm。
在本發(fā)明制備工藝方法中，步驟(l)為將氮化硅粉體和磷酸鹽粉體按照8:2 9:1的質(zhì)量比 例配制好，放入研磨罐中，加入2倍粉體質(zhì)量的乙醇，以及2~5倍粉體質(zhì)量的氧化鋯球，在 球磨機(jī)上持續(xù)濕混，球料比為2:1 5:1，磨球直徑為5~12mm，球磨時(shí)間為12 24小時(shí)。歩驟 (3)將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)燒結(jié)過(guò)程中，從室溫到120(TC快速升溫，1200°C 至預(yù)定燒結(jié)溫度以1(TC/min的升溫速率勻速升溫，達(dá)到預(yù)定燒結(jié)溫度后保溫1小時(shí)。保溫結(jié) 束后停止加熱，隨爐冷卻至室溫。預(yù)定燒結(jié)溫度為1500~1800°C。
本發(fā)明提出一種磷酸鹽為燒結(jié)助劑低成本制備氮化硅陶瓷的工藝方法，具體地說(shuō)是將磷 酸鹽引入氮化硅，并通過(guò)冷壓后無(wú)壓燒結(jié)的方法得到氮化硅基復(fù)合陶瓷。該復(fù)合陶瓷是將氮 化硅粉體和磷酸鹽粉體按照設(shè)計(jì)好的成份在球磨機(jī)濕混球磨，球料比為2:1 5:1，磨球直徑為 5~12mm，球磨時(shí)間為12~24小時(shí)。球磨結(jié)束后加熱烘干去除酒精，得到混合均勻的原料粉末。 再將其放入模具中，施加3-5MPa的壓力，保壓2-3min后脫模，得到初步成型的試樣。預(yù)壓 后的試樣裝入完好的橡膠袋中，抽至真空后密封。將密封好的橡膠袋放入冷等靜壓機(jī)中進(jìn)行 冷等靜壓處理。將冷等靜壓后的試樣放入石墨罐中進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，其過(guò)程為從室溫到120CTC 快速升溫，120(TC至預(yù)定燒結(jié)溫度以1(TC/min的升溫速率勻速升溫，達(dá)到預(yù)定燒結(jié)溫度后保 溫1小時(shí)。保溫結(jié)束后停止加熱，隨爐冷卻至室溫，預(yù)定燒結(jié)溫度為1500 180(TC。為了防 止氮化硅分解和促進(jìn)燒結(jié)，采用埋粉保護(hù)和N2氣氛保護(hù)。埋粉選用與原料同一批次的氮化硅 粉，N2壓力為latm。
.本發(fā)明提出以磷酸鹽為燒結(jié)助劑低成本制備氮化硅陶瓷的工藝方法。與以往的制備氮化 硅陶瓷復(fù)合材料的方法相比較，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 制備成本低以往的研究大都采用稀土氧化物作為氮化硅陶瓷的燒結(jié)助劑，但是其 價(jià)格較高，而市售的磷酸鹽價(jià)格很低，將其作為助燒劑可以顯著地降低整體的制備成本；
2. 制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高采用熱壓燒結(jié)的方法制備氮化硅陶瓷只能單件或幾件同時(shí)進(jìn)行，而采用本發(fā)明提出的冷壓后無(wú)壓燒結(jié)的方法可以批量制備氮化硅陶瓷構(gòu)件，極大地 提高了生產(chǎn)效率；
3.可制備復(fù)雜形狀構(gòu)件本發(fā)明提出的制備方法可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)模具，從而制備出 復(fù)雜形狀的陶瓷構(gòu)件，這是熱壓燒結(jié)方法不能實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明制備的氮化硅陶瓷復(fù)合材料具有成本低，工藝簡(jiǎn)單，制成效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且還 具有可以制備復(fù)雜形狀構(gòu)件的特點(diǎn)，適于制造航天防熱等核心零部件。 具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明
實(shí)施例1:
將粒度約為5 10pm，純度99%以上的氮化硅和磷酸鈣粉體按照質(zhì)量比85: 15配比后放 入研磨罐中，加入2倍粉體質(zhì)量的乙醇，以及2~5倍粉體質(zhì)量的氧化鋯球，在球磨機(jī)上濕混 12小時(shí)。濕混過(guò)程結(jié)束后，加熱烘干去除酒精，得到混合均勻的原料粉末。將混合均勻的原 料放入設(shè)計(jì)尺寸的模具中，施加5MPa的壓力，保壓3min后脫模，得到初歩成型的試樣。預(yù) 壓后的試樣裝入完好的橡膠袋中，抽至真空后密封。將密封好的橡膠袋放入冷等靜壓機(jī)中進(jìn) 行冷等靜壓處理，其工藝為壓力200MPa，保壓時(shí)間5min。將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣放入石 墨罐屮進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，采用埋粉保護(hù)和N2氣氛保護(hù)。埋粉選用與原料同-'批次的氮化硅粉， N2壓力為latm。燒結(jié)工藝為從室溫到120(TC快速升溫，120(TC至預(yù)定燒結(jié)溫度以10°C/min 的升溫速率勻速升溫，達(dá)到預(yù)定燒結(jié)溫度17(XTC后保溫1小時(shí)。保溫結(jié)束后停止加熱，隨爐 冷卻至室溫。得到氮化硅基復(fù)合材料的密度為2.87g/cm3，強(qiáng)度為547MPa，彈性模量為168GPa， 斷裂韌性為7.3 MPa'm1/2，硬度為7.6GPa。
實(shí)施例2:
將粒度約為5 10nm，純度99%以上的氮化硅和磷酸鈣粉體按照質(zhì)量比85: 15配比后放 入研磨罐中，加入2倍粉體質(zhì)量的乙醇，以及2 5倍粉體質(zhì)量的氧化鋯球，在球磨機(jī)上持續(xù) 濕混12小時(shí)。濕混過(guò)程結(jié)束后，加熱烘干去除酒精，得到混合均勻的原料粉末。將混合均勻 的原料放入設(shè)計(jì)尺寸的模具中，施加5MPa的壓力，保壓3min后脫模，得到初步成型的試樣。 預(yù)壓后的試樣裝入完好的橡膠袋中，抽至真空后密封。將密封好的橡膠袋放入冷等靜壓機(jī)中 進(jìn)行冷等靜壓處理，其工藝為壓力200MPa，保壓時(shí)間5min。將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣放入
石墨罐中進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，采用埋粉保護(hù)和N2氣氛保護(hù)。埋粉選用與原料同一批次的氮化硅粉，
N2壓力為latm。燒結(jié)工藝為從室溫到120(TC快速升溫，1200'C至預(yù)定燒結(jié)溫度以10°C/min 的升溫速率勻速升溫，達(dá)到預(yù)定燒結(jié)溫度1600'C后保溫1小時(shí)。保溫結(jié)束后停止加熱，隨爐冷卻至室溫。得到氮化硅基復(fù)合材料的密度為2.55g/cm3，強(qiáng)度為311MPa，彈性模量為125GPa， 斷裂韌性為4.1MPa'm1/2，硬度為4.5GPa。 實(shí)施例3:
將粒度約為5 10pm，純度99%以上的氮化硅和磷酸鋁粉體按照質(zhì)量比85: 15配比后放 入研磨罐中，加入2倍粉體質(zhì)量的乙醇，以及2 5倍粉體質(zhì)量的氧化鋯球，在球磨機(jī)上持續(xù) 濕混12小時(shí)。濕混過(guò)程結(jié)束后，加熱烘干去除酒精，得到混合均勻的原料粉末。將混合均勻 的原料放入設(shè)計(jì)尺寸的模具中，施加5MPa的壓力，保壓3min后脫模，得到初歩成型的試樣。 預(yù)壓后的試樣裝入完好的橡膠袋中，抽至真空后密封。將密封好的橡膠袋放入冷等靜壓機(jī)中 驚醒冷等靜壓處理，其工藝為壓力200MPa，保壓時(shí)間5min。將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣放入 石墨罐中進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，采用埋粉保護(hù)和N2氣氛保護(hù)。埋粉選用與原料同一批次的氮化硅粉， N2壓力為latm。燒結(jié)工藝為從室溫到120(TC快速升溫，120(TC至預(yù)定燒結(jié)溫度以1(TC/min 的升溫速率勻速升溫，達(dá)到預(yù)定燒結(jié)溫度1700'C后保溫1小時(shí)。保溫結(jié)束后停止加熱，隨爐 冷卻至室溫。得到氮化硅基復(fù)合材料的密度為2.36g/cm3，強(qiáng)度為106MPa，彈性模量為78GPa， 斷裂韌性為2.24 MPa'm1/2，硬度為2.7GPa。
實(shí)施例4:
將粒度約為5 1(Him，純度99%以上的氮化硅和磷酸鈣粉體按照質(zhì)量比80: 20配比后放 入研磨罐中，加入2倍粉體質(zhì)量的乙醇，以及2 5倍粉體質(zhì)量的氧化鋯球，在球磨機(jī)上持續(xù) 濕混12小時(shí)。濕混過(guò)程結(jié)束后，加熱烘干去除酒精，得到混合均勻的原料粉末。將混合均勻 的原料放入設(shè)計(jì)尺寸的模具中，施加5MPa的壓力，保壓3min后脫模，得到初步成型的試樣。 預(yù)壓后的試樣裝入完好的橡膠袋中，抽至真空后密封。將密封好的橡膠袋放入冷等靜壓機(jī)中 進(jìn)行冷等靜壓處理，其工藝為壓力200MPa，保壓時(shí)間5min。將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣放入 石墨罐中進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，采用埋粉保護(hù)和N2氣氛保護(hù)。埋粉選用與原料同一批次的氮化硅粉， N2壓力為latm。燒結(jié)工藝為從室溫到120(TC快速升溫，1200。C至預(yù)定燒結(jié)溫度以10°C/min 的升溫速率勻速升溫，達(dá)到預(yù)定燒結(jié)溫度160(TC后保溫1小時(shí)。保溫結(jié)束后停止加熱，隨爐 冷卻至室溫。得到氮化硅基復(fù)合材料的密度為2.65g/cm3，強(qiáng)度為236MPa，彈性模量為105GPa， 斷裂韌性為3.2MPam1/2，硬度為3.5GPa。
實(shí)施例5:
將粒度約為5 10jiim，純度99%以上的氮化硅和磷酸鈣粉體按照質(zhì)量比卯10配比后放 入研磨罐中，加入2倍粉體質(zhì)量的乙醇，以及2 5倍粉體質(zhì)量的氧化鋯球，在球磨機(jī)上持續(xù) 濕混12小時(shí)。濕混過(guò)程結(jié)束后，加熱烘干去除酒精，得到混合均勻的原料粉末。將混合均勻的原料放入設(shè)計(jì)尺寸的模具中，施加5MPa的壓力，保壓3min后脫模，得到初歩成型的試樣。 預(yù)壓后的試樣裝入完好的橡膠袋中，抽至真空后密封。將密封好的橡膠袋放入冷等靜壓機(jī)中 進(jìn)行冷等靜壓處理，其工藝為壓力200MPa，保壓時(shí)間5min。將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣放入
石墨罐中進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，采用埋粉保護(hù)和N2氣氛保護(hù)。埋粉選用與原料同一批次的氮化硅粉，
N2壓力為latm。燒結(jié)工藝為從室溫到120(TC快速升溫，1200。C至預(yù)定燒結(jié)溫度以10°C/min 的升溫速率勻速升溫，達(dá)到預(yù)定燒結(jié)溫度160(TC后保溫1小時(shí)。保溫結(jié)束后停止加熱，隨爐 冷卻至室溫。得到氮化硅基復(fù)合材料的密度為2.51g/cm3，強(qiáng)度為285MPa，彈性模量為142GPa， 斷裂韌性為5.1MPam1/2，硬度為4.8GPa。
權(quán)利要求
1、一種以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷，其特征在于它是一種將磷酸鹽引入氮化硅，并通過(guò)冷壓后無(wú)壓燒結(jié)的方法得到的氮化硅基復(fù)合陶瓷，包括質(zhì)量比82～91混合的氮化硅粉體和磷酸鹽粉體，原料的純度均在99％以上，粒徑在1～20μm，磷酸鹽粉體包括磷酸鈣或磷酸鋁，其質(zhì)量占總質(zhì)量的10～20％。
2、 一種以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于按以下歩驟實(shí)現(xiàn) 首先將氮化硅粉體和磷酸鹽粉體按照質(zhì)量比8: 2~9: l配比混合，原料的純度均在99%以上， 粒徑在1 20pm，其次是混合粉末的預(yù)壓成型和冷等靜壓處理，最后對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，其中， 磷酸鹽粉體為磷酸鈣或磷酸鋁，其質(zhì)量占總質(zhì)量的10~20%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于制備方法歩驟包括(1) 將氮化硅粉體和磷酸鹽粉體按照質(zhì)量比8: 2~9: l配比裝入研磨罐中，加入2倍粉體質(zhì)量的乙醇，以及2 5倍粉體質(zhì)量的氧化鋯球，在球磨機(jī)上持續(xù)濕混12-24小時(shí)；濕混過(guò) 程結(jié)束后，加熱烘干去除酒精，得到混合均勻的原料粉水；(2) 冷壓成型將混合均勻的原料粉水放入模具中，施加3-5MPa的壓力，保壓2-3min 后脫模，得到初歩成型的試樣；預(yù)壓后的試樣裝入完好的橡膠袋中，抽至真空后密封；將密 封好的橡膠袋放入冷等靜壓機(jī)中進(jìn)行冷等靜壓處理，冷等靜壓工藝為壓力200MPa，保壓時(shí) 間5min;(3) 陶瓷燒結(jié)將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣放入石墨罐中進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，石墨罐內(nèi)壁均勻涂 抹氮化硼，用以防止石墨向氮化硅中擴(kuò)散，為了防止氮化硅分解和促進(jìn)燒結(jié)，采用埋粉保護(hù)和N2氣氛保護(hù)，埋粉選用與原料同一批次的氮化硅粉，N2壓力為latm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征 在于所述的加入乙醇與氧化鋯球在球磨機(jī)上持續(xù)濕混，球料比為2:1 5:1，磨球直徑為 5~12mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征 在于步驟(3)為將經(jīng)過(guò)冷等靜壓的試樣進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)燒結(jié)過(guò)程中，從室溫到120(TC快速升 溫，1200'C至預(yù)定燒結(jié)溫度以10°C/min的升溫速率勻速升溫，達(dá)到預(yù)定燒結(jié)溫度后保溫1小 時(shí)，保溫結(jié)束后停止加熱，隨爐冷卻至室溫。預(yù)定燒結(jié)溫度為1500~1800°C。
全文摘要
本發(fā)明提出一種以磷酸鹽為燒結(jié)助劑的氮化硅基復(fù)合陶瓷及制備方法，它是一種將磷酸鹽引入氮化硅，并通過(guò)冷壓后無(wú)壓燒結(jié)的方法得到的氮化硅基復(fù)合陶瓷，包括氮化硅粉體和磷酸鹽粉體，磷酸鹽粉體包括磷酸鈣或磷酸鋁，其質(zhì)量占總質(zhì)量的10～20％，原料的純度均在99％以上，粒徑在1～20μm。制備方法為首先將氮化硅粉體和磷酸鹽粉體按照質(zhì)量比8∶2～9∶1配比混合，原料的純度均在99％以上，粒徑在1～20μm，其次是混合粉末的預(yù)壓成型和冷等靜壓處理，最后對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，其中，磷酸鹽粉體為磷酸鈣或磷酸鋁，其質(zhì)量占總質(zhì)量的10～20％。本發(fā)明具有成本低，工藝簡(jiǎn)單，制成效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有可以制備復(fù)雜形狀構(gòu)件的特點(diǎn)，適于制造航天防熱等核心零部件。
文檔編號(hào)C04B35/63GK101434488SQ20081020968
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者玉 周, 東 徐, 楊治華, 段小明, 賈德昌 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)