CN101215174A - 一种透明β-氮化硅陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种透明β－氮化硅陶瓷及其制备方法，属于非氧化物陶瓷领域。本发明中透明β－氮化硅陶瓷是以Si₃N₄粉和含有MgSiN₂的烧结助剂为起始原料，两者重量比为100∶9－1；将上述原料混合均匀后，将原料成型后装入石墨模具中，或直接将原料装入石墨模具中，在机械压力为10－80MPa、氮气压力为0.8－5MPa、温度为1900℃－2300℃、保温时间为20－60小时的条件下烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温即得到透明β－氮化硅陶瓷。本发明通过采用含有氮化硅镁的粉体作为烧结助剂和高温热压烧结相结合的方法来减少晶界相的含量及其与β－Si₃N₄晶粒之间的折射率之差，从而有效地减少了光线的损失，实现了β－氮化硅陶瓷的透明化。

Description

一种透明β-氮化硅陶瓷及其制备方法

(一)技术领域：

本发明涉及非氧化物陶瓷领域，具体涉及一种透明β-氮化硅陶瓷及其制备方法。

(二)背景技术：

透明陶瓷的一大重要应用是作为结构部件被用于透明装甲、战术和战略导弹、航空航天飞机、无人战车等现代高尖端技术装备中。这些装备通常在高温、野外、太空、战场等十分恶劣的环境中使用，这就要求所用的透明材料既具备透光性，同时又具有很好的力学性能、抗热冲击性及化学稳定性等综合性能，以提高其可靠性。但是，现今研发的透明结构陶瓷如Al₂O₃、MgAl₂O₄、AlON、α-Sialon等力学性能和抗热冲击性不够理想，难以满足日益提高的使用要求。

与其它透明结构陶瓷相比，β-氮化硅(β-Si₃N₄)陶瓷在力学性能上具有非常明显的优势，如：β-氮化硅陶瓷断裂韧性可达10-12MPa·m^1/2[C.Li，and J.Yamanis，Super-tough silicon nitride with R-curvebehavior，Ceram.Eng.Sci.Proc.10[7-8]632-645(1989)]，而目前报道的透明结构陶瓷材料断裂韧性都较低，一般都低于3MPa·m^1/2；β-氮化硅陶瓷的抗弯强度可达2GPa以上[N.Kondo，et al.Superplasticsinter-forging of silicon nitride with anisotropic microstructureformation，J.Am.Ceram.Soc.82[4]1067-1069(1999)]，远高于其它透明结构陶瓷材料(一般低于400MPa)。β-氮化硅陶瓷还具有高热导率的优点，其热导率可达155W·m^-1·K^-1[K.Watari，et al.Hotisostatic pressing to increase thermal conductivity of Si₃N₄ceramics，J.Mater.Res.14[4]1538-1541(1999).]。目前报道的透明结构陶瓷材料，如Al₂O₃、AlON，其热导率一般只有20 W·m^-1·K^-1左右。而热导率的提高又可以使β-氮化硅陶瓷在一定温差下能更快达到温度均匀分布的状态，从而大幅度提高β-氮化硅陶瓷抗热震性能。

β-氮化硅陶瓷优良的力学性能、高的热导率及良好的抗热冲击性能使其在承受外来破坏、高温冲击等方面具有其它透明结构陶瓷不可比拟的优势。研究表明，由于β-Si₃N₄晶体结构的因素，β-Si₃N₄晶粒在烧结过程中易发展为长棒状，这些长棒状β-Si₃N₄晶粒在陶瓷中能够起到类似纤维补强的桥联、裂纹偏转等增韧作用，是β-氮化硅陶瓷具备优良力学性能的重要原因。但是，长棒状β-Si₃N₄晶粒的存在使透明β-氮化硅陶瓷的制备非常困难。长棒状β-Si₃N₄晶粒容易使晶界相富集在三叉晶界或多晶粒的连接处。由于晶界相和晶粒本身的折射率相差很大，导致光线大量的折射和散射，从而使得透光性大大的降低，使具有长棒状β-Si₃N₄晶粒组成的透明β-氮化硅陶瓷的制备非常困难。到目前为止有关由单一β-Si₃N₄相组成的透明陶瓷的研究工作鲜有报道。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种透明β-氮化硅陶瓷及其制备方法。本发明中透明β-氮化硅陶瓷是通过采用含有氮化硅镁(MgSiN₂)的粉体作为烧结助剂和高温热压烧结相结合的方法来制备的。一方面含氮化硅镁的烧结助剂在高温下形成粘度较低的液相，在高温和机械压力的作用下，这些液相可以部分排出烧结体外，从而大大的减少了有损光线透过率的晶界相的含量；另一方面，与传统的氧化物烧结助剂相比，MgSiN₂更接近Si₃N₄的化学成分，可以形成成分接近Si₃N₄的晶界相，以缩小其与晶粒折射率之间的差异，减少光线的折射和散射；正是这两方面作用的结合实现了本发明中透明β-氮化硅陶瓷的制备。

本发明所述的透明β-氮化硅陶瓷的制备方法，其步骤如下：

1)以Si₃N₄粉和含有MgSiN₂的烧结助剂为起始原料，其中，Si₃N₄粉与烧结助剂的重量比为100∶1-9；

所述含有MgSiN₂的烧结助剂可为单一的MgSiN₂，也可为MgSiN₂与氧化物SiO₂、MgO、CaO、Y₂O₃、Yb₂O₃中的任意一种或两种以上的混合物；其中，所述烧结助剂中MgSiN₂与氧化物的重量比为100∶0-20；

2)将上述原料混合均匀，先成型再装入石墨模具中，或者直接将粉料装入石墨模具中，在机械压力为10-80MPa、氮气压力为0.8-5MPa、温度为1900℃-2300℃、保温时间为20-60小时的条件下烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温，即得到透明β-氮化硅陶瓷。

本发明还包括由上述方法制备而成的透明β-氮化硅陶瓷。

由上述方法制备的透明β-氮化硅陶瓷，在具备透明特性的同时，也具备优良的力学性能、高的热导率及良好的抗热冲击性能，将在透明装甲、战术和战略导弹、航空航天飞机、无人战车等高尖端技术装备中有广泛的应用前景。

(四)附图说明：

图1：实施例1制得的透明β-氮化硅陶瓷的实物照片；

图2：实施例1制得的透明β-氮化硅陶瓷腐蚀表面的显微照片。

(五)具体实施方式：

下面通过实施例进一步阐明本发明的特点，但不局限于实施例。

实施例1：

以Si₃N₄粉和MgSiN₂粉为原料，二者的重量比为100∶4，将原料均匀混合后，先干压成型，然后装入石墨模具中，在机械压力为20MPa、氮气压力为0.8MPa、温度为1950℃、保温时间为50小时的条件下烧结；烧结结束后样品随炉冷却至室温，即得到透明β-氮化硅陶瓷。

图1给出了本实施例得到的表面未经抛光的、厚度约为1mm的透明β-氮化硅陶瓷实物照片；经XRD鉴定，由上述工艺制备的透明陶瓷，其晶相为单一的β-Si₃N₄相；对该样品的显微结构分析表明其是由长棒状晶粒组成，如图2所示。

实施例2：

以Si₃N₄粉、MgSiN₂粉和Y₂O₃粉为原料，其重量比为100∶6.7∶0.5，将原料均匀混合后，装入石墨模具中，在机械压力为60MPa、氮气压力为2.0MPa、温度为2100℃、保温时间为30小时的条件下烧结；烧结结束后，样品随炉冷却至室温得到透明β-氮化硅陶瓷。

实施例3：

以Si₃N₄粉、MgSiN₂粉、CaO粉和Y₂O₃粉为原料，其重量比为100∶1.9∶0.2∶0.1，将原料均匀混合后，装入石墨模具中，在机械压力为70MPa、氮气压力为4.5MPa、温度为2250℃、保温时间为25小时的条件下烧结；烧结结束后，样品随炉冷却至室温得到透明β-氮化硅陶瓷。

Claims (4)

1.一种透明β-氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：

1)以Si₃N₄粉和含有MgSiN₂的烧结助剂为起始原料，其中，Si₃N₄粉与烧结助剂的重量比为100∶1-9；

2)将上述原料混合均匀后，先成型再装入石墨模具中，或者直接将粉料装入石墨模具中，在机械压力为10-80MPa、氮气压力为0.8-5MPa、温度为1900℃-2300℃、保温时间为20-60小时的条件下烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温，即得到透明β-氮化硅陶瓷。

2.根据权利要求1所述的透明β-氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于所述的含有MgSiN₂的烧结助剂为MgSiN₂，或MgSiN₂与氧化物SiO₂、MgO、CaO、Y₂O₃、Yb₂O₃中的任意一种或两种以上的混合物。

3.根据权利要求2所述的透明β-氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于所述MgSiN₂与氧化物的重量比为100∶0-20。

4.权利要求1-3中任何一项所述制备方法制成的透明β-氮化硅陶瓷。

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