CN101423396A - 一种耐高温、抗氧化硅氮氧陶瓷的低温制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐高温、抗氧化介电陶瓷的制备技术，特别提供了一种耐高温、抗氧化硅氮氧陶瓷的低温制备方法，解决现有技术中制备硅氮氧陶瓷材料时，存在的温度相对较高、反应时间长等问题。采用一定化学计量比的氮化硅和二氧化硅为原料，以碳酸锂为烧结助剂，原料经过研磨10－30小时，装入石墨模具中冷压成型，在通有氮气作为保护气氛的热压炉中烧结，烧结温度为1400－1600℃、烧结时间为0.1－1小时。本发明可以在较低温度、短时间内合成高纯度、抗氧化、室温强度和高温强度高、介电常数低和介电损耗小的致密硅氮氧陶瓷块体。采用本发明方法获得的硅氮氧陶瓷，可作为抗氧化高温结构材料和功能材料，具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及耐高温、抗氧化介电陶瓷的制备技术，特别提供了一种低温制备耐高温、抗氧化的硅氮氧(Si2N2O)陶瓷块体的方法。
背景技术
硅氮氧(Si2N2O)陶瓷是一种新型耐高温的三元材料。它具有密度低、强度高、硬度高、抗氧化性能好、耐腐蚀、高温稳定性好、抗中子辐射、介电常数低和介电损耗小等许多优良的性能。在航空、航天、核工业、超高温结构件等高新技术领域都有广泛的应用前景。尽管硅氮氧(Si2N2O)陶瓷材料具有如此的优异性能，但制备此陶瓷材料需要很高的温度，从而限制了它的应用。R.Larker等(J.Am.Ceram.Soc.(美国陶瓷学会会刊)75[1](1992)62)以Si3N4粉和SiO2粉为原料，Y2O3粉为烧结助剂，利用热等静压法在1800-1950℃，反应1-4个小时后得到致密的Si2N2O。M.Ohashi等(J.Am.Ceram.Soc.(美国陶瓷学会会刊)74[1](1991)109)，用Si3N4粉和SiO2粉为原料，CeO2粉为烧结助剂，通过热压方法制备了Si2N2O，反应温度1750℃，反应时间2小时。上述制备方法要求温度相对较高，反应时间长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温、抗氧化的硅氮氧(Si2N2O)陶瓷材料的制备方法，解决现有技术中制备硅氮氧(Si2N2O)陶瓷材料时，存在的温度相对较高、反应时间长等问题。该方法合成温度相对较低，反应时间短，并且合成的块体材料力学性能好，介电常数低，损耗角正切低，晶界相中金属离子含量低。
本发明的技术方案如下：
一种耐高温、抗氧化硅氮氧陶瓷的低温制备方法，以Si3N4粉和SiO2粉为原料，Li2CO3粉为烧结助剂，Si3N4和SiO2的化学计量比(摩尔比)为Si3N4:SiO2＝1:(0.8-1.3)，Li2CO3的添加量为1-5wt.％。原料经过10-30小时研磨后，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10-20MPa，在通有氮气保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为10-50℃/分钟，烧结温度为1200-1600℃(优选范围为1400-1600℃)、烧结时间为0.1-1小时。
所述加入的Si3N4粉粒度大小0.5-5μm，SiO2粉粒度大小1-20μm；所述烧结方式为热压烧结，烧结压强为10-30MPa；所述研磨方式为酒精介质中球磨。
本发明的优点是：
1、烧结温度低，保温时间短。本发明采用一定化学计量比的氮化硅和二氧化硅为原料，以碳酸锂为烧结助剂，由于烧结过程中，Li2O和SiO2反应生成具有较低熔点，较小粘度的液相，促进了硅氮氧(Si2N2O)陶瓷在较低温度下生成和致密化，使致密的硅氮氧(Si2N2O)陶瓷可在1400-1600℃合成，低于添加其它烧结助剂，或利用其它方法制备硅氮氧(Si2N2O)陶瓷的温度，同时烧结时间被缩短。
2、材料力学性能好，介电常数低，损耗角正切值小。采用本发明方法合成的硅氮氧(Si2N2O)陶瓷室温弯曲强度高达513MPa，介电常数和损耗角正切值在1MHz分别只有6.2和0.0008。
3、材料中Li的含量很低。由于Li2O的蒸气压高，在烧结过程中容易挥发，导致晶界中元素Li的残留量小，从而有利于提高材料的高温性能。
4、采用本发明方法获得的硅氮氧(Si2N2O)陶瓷，可作为抗氧化高温结构材料和功能材料，具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为合成硅氮氧(Si2N2O)陶瓷的X-射线衍射图谱。
图2为添加不同含量Li2CO3合成硅氮氧(Si2N2O)陶瓷的介电常数随频率的变化。
图3为添加不同含量Li2CO3合成硅氮氧(Si2N2O)陶瓷的损耗角正切值随频率的变化。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。
实施例1
原料采用平均粒径5微米的Si3N4粉15克，平均粒径15微米SiO2粉7克和Li2CO3粉0.3克，Li2CO3的含量为1.4wt.％，以酒精为介质球磨20小时，烘干后，在15MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有氮气作为保护气氛的高温炉(热压炉)中以25℃/min的升温速率升至1500℃，保温0.5小时，升温同时压力逐渐加到20MPa，并保持该压力下进行烧结。X-射线衍射图谱见附图1，经检验材料为高纯的Si2N2O。阿基米德法测得密度为2.81g/cm3，为理论密度的99％。介电常数和损耗角正切分别为6.18和0.0008(1MHz)。抗弯强度为513MPa，断裂韧性为3.3MPa·m1/2，弹性模量为229GPa，硬度为17.1GPa。合成的材料中Li的残留量为0.06wt.％。
实施例2
与实施例1不同之处在于：原料中Li2CO3的含量不同、球磨时间不同、升温速率和保温时间不同。
原料采用平均粒径5微米的Si3N4粉15克，平均粒径15微米SiO2粉7克和Li2CO3粉0.45克，Li2CO3的含量为2.1wt.％，以酒精为介质球磨30小时，烘干后，在10MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有氮气作为保护气氛的高温炉中以20℃/min的升温速率升至1400℃，保温0.7小时，升温同时压力逐渐加到30MPa，并保持该压力下进行烧结。X-射线衍射图谱表明，合成的材料为Si2N2O。阿基米德法测得的密度为2.82g/cm3，为理论密度的100％。介电常数和损耗角正切分别为6.19和0.0013(1MHz)。抗弯强度为502MPa，断裂韧性为2.9Mpa.m1/2，弹性模量为229GPa，硬度为16.8GPa。合成的材料中Li的残留量为0.07wt.％。
实施例3
与实施例1不同之处在于：原料中Li2CO3的含量不同、烧结温度、升温速率和保温时间不同。
原料采用平均粒径5微米的Si3N4粉15克，平均粒径15微米SiO2粉7克和Li2CO3粉0.75克，Li2CO3的含量为3.5wt.％，以酒精为介质球磨13小时，烘干后，在20MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有氮气作为保护气氛的高温炉中以10℃/min的升温速率升至1600℃，保温0.2小时，升温同时压力逐渐加到25MPa，并保持该压力下进行烧结。X-射线衍射图谱表明，合成的材料为高纯的Si2N2O。阿基米德法测得的密度为2.82g/cm3，为理论密度的100％。介电常数和损耗角正切分别为6.23和0.0008(1MHz)。抗弯强度为497MPa，断裂韧性为2.8MPa·m1/2，弹性模量为228GPa，硬度为16.6GPa。合成的材料中Li的残留量为0.09wt.％。
采用实施例1、实施例2、实施例3，均得到高纯Si2N2O的块体材料，并且力学性能和介电性能接近，材料中元素Li的残留量很小，可见增加原料中Li2CO3的含量，对合成材料的力学性能和介电性能影响很小，主要由于Li2O的蒸气压高，在烧结过程中容易挥发。
如图2所示，添加不同含量Li2CO3合成硅氮氧(Si2N2O)陶瓷的介电常数随频率的变化情况如下：在0-20MHz频率范围内，材料的介电常数随频率的增加而逐渐减小，并且当Li2CO3添加量从1.4wt.％增加到3.5wt.％，材料介电常数变化很小，主要由于合成过程中，锂元素大量挥发，导致材料内锂的残留量很低，对材料的介电性能影响很小。
如图3所示，添加不同含量Li2CO3合成硅氮氧(Si2N2O)陶瓷的损耗角正切值随频率的变化情况如下：在0-20MHz频率范围内，合成的材料的损耗角正切没有因为原料中添加不同含量Li2CO3而有明显的差别。
比较例
本发明方法合成的Si2N2O和R.Larker等(J.Am.Ceram.Soc.(美国陶瓷学会会刊)75[1](1992)62)合成的Si2N2O，力学性能相近，但烧结温度降低了250-400℃，并且烧结时间也大大缩短。
由实施例1、实施例2、实施例3和比较例可见，采用本发明方法可以在较低温度、短时间内合成高纯度、抗氧化、室温强度和高温强度高、介电常数低和介电损耗小的致密硅氮氧陶瓷块体。
Claims (4)
1、一种耐高温、抗氧化硅氮氧陶瓷的低温制备方法，其特征在于：
以Si3N4粉和SiO2粉为原料，Li2CO3粉为烧结助剂，合成单相的Si2N2O，Si3N4和SiO2的摩尔比为Si3N4:SiO2＝1:0.8-1.3，Li2CO3的添加量为1-5wt.％；原料经过10-30小时研磨后，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10-20MPa；然后，在通有氮气的热压炉内烧结，升温速率为10-50℃/分钟，烧结温度为1200-1600℃、烧结时间为0.1-1小时。
2、按照权利要求1所述的硅氮氧陶瓷的低温制备方法，其特征在于：烧结温度优选范围为1400-1600℃。
3、按照权利要求1所述的硅氮氧陶瓷的低温制备方法，其特征在于：所述烧结方式为热压烧结，烧结压强为10-30MPa。
4、按照权利要求1所述的硅氮氧陶瓷的低温制备方法，其特征在于：所述研磨方式为酒精介质中球磨。
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| CN103339300A (zh) * | 2010-12-30 | 2013-10-02 | 圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司 | 坩埚主体及其形成方法 |
| CN108409301A (zh) * | 2018-03-28 | 2018-08-17 | 江苏苏嘉集团新材料有限公司 | 一种镁碳砖及其制备方法 |
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