CN100432017C - 快速制备高强度氮化硅-氮化硼可加工陶瓷的方法 - Google Patents
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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
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σf3=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σf3=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σf3=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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