CN101591191A - 氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，属于特种陶瓷技术领域，其配料重量百分组成为：石英粉60～80％、氮化硅粉10～30％、纳米陶瓷粉2～15％、烧结助剂1～10％和氧化锆粉5～20％；采用去离子水作为分散介质，氮化硅陶瓷球作为研磨介质，在聚氨酯球磨罐中将配料混磨10～20h，制作成粒径为100－500μm的成型颗粒料，压制成型制成素坯，在氮气气氛保护下无压烧成。宽耐温性、耐烧蚀性好，并且具有良好的力学性能和介电性能，强度大，能够满足应用要求；制备方法科学合理、简单易行。

Description

氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料及其制备方法，属于特种陶瓷技术领域。

背景技术

导弹雷达天线罩是保证雷达天线系统正常工作的一种关键性部件，它既是弹体的组成部分，又是雷达制导系统的组成部分；它既要承受导弹气动载荷、气动加热和飞行过程中的恶劣环境，又要满足导弹雷达系统对功率传输系数、瞄准误差和天线方向图畸变等性能的要求。随着航天、航空技术的发展，天线罩材料已经向着耐高温、抗冲蚀和满足宽频要求及高透波率的方向发展。近几年、高性能陶瓷透波材料以其良好的介电性能、足够的强度和优异的耐高温性能逐渐在超音速、高超音速天线罩中占据了绝对优势的地位，

石英陶瓷的热膨胀系数低、介电性能和抗热冲击性能好，是目前超音速导弹普遍采用的天线罩材料，如美国的爱国者和潘兴II、意大利的Aspide、俄罗斯C-300等导弹。但是石英陶瓷也有缺点，其强度低，抗雨蚀和烧蚀性能差，使用温度限于1800℃，当Ma小于5时，石英陶瓷是非常好的天线罩材料；但是当Ma大于5时，单一的石英陶瓷已难以满足要求。近20多年来，西方国家逐渐把目光投向氮化硅等一批新的高性能陶瓷透波材料。氮化硅陶瓷是综合性能最好的结构陶瓷材料之一，高温下仍然具有较高的抗弯强度，优异的抗烧蚀，耐冲刷等性能，但介电和抗热震性能较差。虽然在石英陶瓷材料中引入第二相氮化硅能够有效地提高复合材料的强度，使复合材料的强度达到70～80MPa，但是对于高马赫数导弹天线罩材料而言，氮化硅/石英陶瓷复合材料的强度还是相对偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，宽耐温性、耐烧蚀性好，并且具有良好的力学性能和介电性能，强度大，能够满足应用要求；本发明同时提供了其科学合理、简单易行的制备方法。

本发明所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其配料重量百分组成为：

石英粉        60～80％

氮化硅粉      10～30％

纳米陶瓷粉      2～15％

烧结助剂        1～10％

氧化锆粉        5～20％。

为了保证材料性能，工艺参数最好作如下控制：

氮化硅粉中α-Si₃N₄的重量含量≥93％，f_si＜1％，D₅₀≤0.8μm。

石英粉中，SiO₂的重量含量为99％，无定形态，中位粒径为D₅₀＝4.7-13μm。

纳米陶瓷粉为纳米SiO₂，无定形态，SiO₂重量含量≥99％。

氧化锆粉，分析纯，ZrO₂重量含量≥99％，中位粒径为0.8-2μm。

烧结助剂为Y₂O₃，分析纯，中位粒径为1.1-1.5μm。

烧结助剂为Al₂O₃，分析纯，中位粒径为0.8-2μm。

本专利在氮化硅/石英陶瓷材料中引入氧化锆，利用氧化锆的相变来提高复合材料的力学性能。氧化锆可以通过马氏体相变来改善陶瓷材料的力学性能。当部分稳定的ZrO₂存在于陶瓷基体里，就会存在四方相(t相)到单斜相(m相)的相变，晶体结构的转变会伴随体积膨胀，从而达到增强、增韧的效果。表1列出了石英陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硅/石英复合材料及本专利所发明的氧化锆增强氮化硅/石英复合材料几种材料的主要性能。

表1、几种陶瓷透波材料的主要性能

本发明科学合理、简单易行的制备方法如下：

采用去离子水作为分散介质，氮化硅陶瓷球作为研磨介质，在聚氨酯球磨罐中将配料混磨10～20h，制作成粒径为100-500μm的成型颗粒料，压制成型制成素坯，在氮气气氛保护下无压烧成制得。采用氮气气氛保护方法，防止试样件在烧制过程中发生氧化。

成型颗粒料可以经过喷雾干燥造粒或预压造粒方式造粒。

其中成型压力控制为120～200Mpa，最好采用冷静压成型工艺。

烧成温度控制为1200～1650℃，保温时间2～4h，自然冷却。

最后根据所需的尺寸进行冷加工后处理即可。

本发明氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料的性能指标如下：

抗弯强度110～260MPa

弹性模量65～100GPa

介电常数3.0～6.0

介电损耗1.5～2×10^-3

线膨胀系数1.5～3.5×10^-6/℃

本发明氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，耐温性宽，耐烧蚀性好，并且具有良好的力学性能和介电性能，能够满足应用要求，并且制备方法科学合理，简单易行，便于实施。

附图说明

图1、本发明工艺流程框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

所用原料情况：

氮化硅粉中α-Si₃N₄的重量含量为95％，f_si＜1％，D₅₀为0.6μm；

石英粉中，SiO₂的重量含量为99％，无定形态，中位粒径D₅₀＝4.7μm；

纳米陶瓷粉为纳米SiO₂，无定形态，SiO₂重量含量为99％；

氧化锆粉，分析纯，ZrO₂重量含量为99.1％，中位粒径为0.8μm；

烧结助剂为Y₂O₃，分析纯，中位粒径为1.1μm。

称取130g石英粉，54g氮化硅粉，6g烧结助剂，10g纳米陶瓷粉，30g氧化锆粉，用去离子水做分散剂，球磨混合，过180目筛后通过离心干燥造粒机造粒，粒径100-500μm，然后均匀装入特制的耐油橡胶模具中，在湿法冷等静压机中成型，成型压力150MPa。成型好的试片装入氮气气氛保护的无压烧结炉中烧成，最高烧成温度为1570℃，保温2h，自然冷却即可。将烧结好的试片根据不同的性能测试对试片的要求，按照传统的冷加工方法加工到要求的精度后，进行有关性能测试。其弯曲强度高达为244MPa，弹性模量为90GPa，介电常数为5.2，膨胀系数为3.0×10^-6/℃.

实施例2

所用原料情况：

氮化硅粉中α-Si₃N₄的重量含量为96％，f_si＜1％，D₅₀为0.7μm；

石英粉中，SiO₂的重量含量为99％，无定形态，中位粒径D₅₀＝10μm；

纳米陶瓷粉为纳米SiO₂，无定形态，SiO₂重量含量为99.6％；

氧化锆粉，分析纯，ZrO₂重量含量为99.5％，中位粒径为1μm；

烧结助剂为Al₂O₃，分析纯，中位粒径为0.9μm。

称取130g石英粉，54g氮化硅粉，6g烧结助剂，10g纳米陶瓷粉，20g氧化锆粉，用去离子水做分散剂，球磨混合，过180目筛后通过离心干燥造粒机造粒，粒径100-500μm，然后均匀装入特制的耐油橡胶模具中，在湿法冷等静压机中成型，成型压力150MPa。成型好的试片装入氮气气氛保护的无压烧结炉中烧成，最高烧成温度为1400℃，保温2h，自然冷却即可。将烧结好的试片根据不同的性能测试对试片的要求，按照传统的冷加工方法加工到要求的精度后，进行有关性能测试。其弯曲强度高达为190MPa，弹性模量为84GPa，介电常数4.94，膨胀系数为2.6×10^-6/℃.

实施例3

所用原料情况：

氮化硅粉中α-Si₃N₄的重量含量93％，f_si＜1％，D₅₀为0.6μm；

石英粉中，SiO₂的重量含量为99％，无定形态，中位粒径D₅₀＝6μm；

纳米陶瓷粉为纳米SiO₂，无定形态，SiO₂重量含量99.1％；

氧化锆粉，分析纯，ZrO₂重量含量99.1％，中位粒径为1μm；

烧结助剂为Y₂O₃，分析纯，中位粒径为1.3μm。

称取130g石英粉，54g氮化硅粉，6g烧结助剂，10g纳米陶瓷粉，20g氧化锆粉，用去离子水做分散剂，球磨混合，过180目筛后干燥，压制造粒粒径100-500μm，然后均匀装入特制的耐油橡胶模具中，在湿法冷等静压机中成型，成型压力150MPa。成型好的试片装入氮气气氛保护的无压烧结炉中烧成，最高烧成温度为1300℃，保温2h，自然冷却即可。将烧结好的试片根据不同的性能测试对试片的要求，按照传统的冷加工方法加工到要求的精度后，进行有关性能测试。其弯曲强度高达为110MPa，弹性模量为65GPa，介电常数为4.85，膨胀系数为2.2×10^-6/℃。

实施例4

所用原料情况：

氮化硅粉中α-Si₃N₄的重量含量为96％，f_si＜1％，D₅₀0.7μm；

石英粉中，SiO₂的重量含量为99％，无定形态，中位粒径D₅₀＝7.5μm；

纳米陶瓷粉为纳米SiO₂，无定形态，SiO₂重量含量为99.1％；

氧化锆粉，分析纯，ZrO₂重量含量为99％，中位粒径为1.2μm；

烧结助剂为Al₂O₃，分析纯，中位粒径为0.8μm。

本发明所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其配料重量百分组成为：

石英粉        60％

氮化硅粉      12％

纳米陶瓷粉    11％

烧结助剂      5％

氧化锆粉      12％。

制备方法：采用去离子水作为分散介质，氮化硅陶瓷球作为研磨介质，在聚氨酯球磨罐中将配料混磨18h，过180目筛后通过离心干燥造粒机造粒，粒径100-500μm，然后均匀装入特制的耐油橡胶模具中，在湿法冷等静压机中成型，成型压力130MPa。成型好的试片装入氮气气氛保护的无压烧结炉中烧成，烧成温度为1380℃，保温2.5h，自然冷却即可。将烧结好的试片根据不同的性能测试对试片的要求，按照传统的冷加工方法加工到要求的精度后，进行有关性能测试。抗弯强度180Mpa、弹性模量80Gpa、介电常数4.0、线膨胀系数2.5×10^-6/℃。

实施例5

所用原料情况：

氮化硅粉中α-Si₃N₄的重量含量为94％，f_si＜1％，D₅₀为0.8μm；

石英粉中，SiO₂的重量含量为99％，无定形态，中位粒径D₅₀＝12μm；

纳米陶瓷粉为纳米SiO₂，无定形态，SiO₂重量含量为99％；

氧化锆粉，分析纯，ZrO₂重量含量为99％，中位粒径为1.5μm；

烧结助剂为Y₂O₃，分析纯，中位粒径为1.3μm。

本发明所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其配料重量百分组成为：

石英粉        62％

氮化硅粉      16％

纳米陶瓷粉    11％

烧结助剂      3％

氧化锆粉    8％。

制备方法：采用去离子水作为分散介质，氮化硅陶瓷球作为研磨介质，在聚氨酯球磨罐中将配料混磨15h，过200目筛后通过离心干燥造粒机造粒，粒径100-500μm，然后均匀装入特制的耐油橡胶模具中，在湿法冷等静压机中成型，成型压力170MPa。成型好的试片装入氮气气氛保护的无压烧结炉中烧成，烧成温度为1450℃，保温3.5h，自然冷却即可。将烧结好的试片根据不同的性能测试对试片的要求，按照传统的冷加工方法加工到要求的精度后，进行有关性能测试。抗弯强度210Mpa、弹性模量73Gpa、介电常数5.0、线膨胀系数2.3×10^-6/℃。

实施例6

所用原料情况：

氮化硅粉中α-Si₃N₄的重量含量为95％，f_si＜1％，D₅₀为0.7μm；

石英粉中，SiO₂的重量含量为99％，无定形态，中位粒径D₅₀＝8μm；

纳米陶瓷粉为纳米SiO₂，无定形态，SiO₂重量含量为99.3％；

氧化锆粉，分析纯，ZrO₂重量含量为99.2％，中位粒径为0.9μm；

烧结助剂为Al₂O₃，分析纯，中位粒径为1.1μm。

本发明所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其配料重量百分组成为：

石英粉      71％

氮化硅粉    10％

纳米陶瓷粉  7％

烧结助剂    6％

氧化锆粉    6％。

制备方法：采用去离子水作为分散介质，氮化硅陶瓷球作为研磨介质，在聚氨酯球磨罐中将配料混磨17h，过180目筛后通过离心干燥造粒机造粒，粒径100-500μm，然后均匀装入特制的耐油橡胶模具中，在湿法冷等静压机中成型，成型压力180MPa。成型好的试片装入氮气气氛保护的无压烧结炉中烧成，烧成温度为1550℃，保温2.5h，自然冷却即可。将烧结好的试片根据不同的性能测试对试片的要求，按照传统的冷加工方法加工到要求的精度后，进行有关性能测试。抗弯强度210Mpa、弹性模量82Gpa、介电常数5.0、线膨胀系数3.1×10^-6/℃。

Claims (10)

1、一种氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其特征在于其配料重量百分组成为：

石英粉         60～80％

氮化硅粉       10～30％

纳米陶瓷粉     2～15％

烧结助剂       1～10％

氧化锆粉       5～20％。

2、根据权利要求1所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其特征在于氮化硅粉中α-Si₃N₄的重量含量≥93％，f_si＜1％，D₅₀≤0.8μm。

3、根据权利要求1所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其特征在于石英粉中，Si0₂的重量含量为99％，无定形态，中位粒径为D₅₀＝4.7-13μm。

4、根据权利要求1所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其特征在于纳米陶瓷粉为纳米SiO₂，无定形态，SiO₂重量含量≥99％。

5、根据权利要求1所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其特征在于氧化锆粉，分析纯，ZrO₂重量含量≥99％，中位粒径为0.8-2μm。

6、根据权利要求1所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其特征在于烧结助剂为Y₂O₃，分析纯，中位粒径为1.1-1.5μm。

7、根据权利要求1所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，其特征在于烧结助剂为Al₂O₃，分析纯，中位粒径为0.8-2μm。

8、一种权利要求1所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料的制备方法，经配料、混磨、成型和烧成制得，其特征在于采用去离子水作为分散介质，氮化硅陶瓷球作为研磨介质，在聚氨酯球磨罐中将配料混磨10～20h，制作成粒径为100-500μm的成型颗粒料，压制成型制成素坯，在氮气气氛保护下无压烧成。

9、根据权利要求8所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于成型压力控制为120～200MPa。

10、根据权利要求9所述的氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于烧成温度1200～1650℃，保温时间2～4h，自然冷却。