CN101671181B

CN101671181B - 一种高硬度半透明氮化硅陶瓷的低温烧结方法

Info

Publication number: CN101671181B
Application number: CN2009101143425A
Authority: CN
Inventors: 彭桂花; 梁振华; 冯玉芝; 卢锋奇; 李庆余; 王红强
Original assignee: Guangxi Normal University
Current assignee: Guangxi Normal University
Priority date: 2009-08-29
Filing date: 2009-08-29
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2029-08-29
Also published as: CN101671181A

Abstract

本发明涉及以氮化硅镁(MgSiN₂)粉体作为烧结助剂低温热压烧结得到高硬度半透明氮化硅陶瓷的方法，属于非氧化物陶瓷制备领域。所述高硬度半透明氮化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1)以α-Si₃N₄和MgSiN₂为起始原料，两者重量比例为100∶2～1；2)将上述步骤1)中含有烧结助剂的粉料混合均匀后，装入石墨模具中，在20～60MPa、1550℃～1600℃、保温时间0.5～2小时、氮气气氛保护条件下热压烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温。以本发明所述方法制得的高硬度半透明氮化硅陶瓷的红外透过率可达58％，显微硬度高于2200Kg/mm²。

Description

一种高硬度半透明氮化硅陶瓷的低温烧结方法

技术领域

本发明涉及半透明氮化硅陶瓷的制备方法，更确切的说是以氮化硅镁(MgSiN₂)粉体作为烧结助剂热压烧结制备高硬度半透明氮化硅陶瓷的方法，属于非氧化物陶瓷制备领域。

背景技术

透明陶瓷一类重要的应用是作为结构部件被用于红外窗口、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同时具有良好的力学性能(强度、硬度、断裂韧性、抗雨滴沙石侵蚀能力等)、化学性能(耐酸碱腐蚀、耐海水侵蚀等)等以提高其可靠性和持久性。因此，研发具有优良力学性能的透明材料非常重要。

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷作为一种典型的结构陶瓷，具有常温和高温下一系列优异的性能，如高强度、高硬度、高韧性、低热膨胀系数、耐热冲击性、耐磨损和耐腐蚀等，这些优良的性能使Si₃N₄陶瓷在航空航天、核能、电子、冶金、机械、化工等领域中有着广泛的应用。但是，一方面氮化硅属于六方晶系，存在双折射现象；另一方面，氮化硅陶瓷的烧结多数采用液相烧结，即需要添加一定量的烧结助剂，高温时烧结助剂与表层的二氧化硅及氮化硅反应生成氧氮化物液相促进烧结，烧成完成后形成非晶态的玻璃相形式或晶界析出相，存在于晶界或晶界三角区，晶界相造成光线的大量折射和散射，因此，一般方法制备的氮化硅陶瓷均是不透明的。

氮化硅存在α和β两种晶型。α-Si₃N₄的晶胞是由四个Si₃N₄分子，即28个原子按ABCDABCD结构堆积而成，其晶格常数a和c比较接近；β-Si₃N₄的晶胞是由两个Si₃N₄分子，即14个原子按ABAB结构堆积而成，其晶格常数a和c相差较大，所以，α-Si₃N₄的双折射效应要小于β-Si₃N₄，前者更有利于制备出透明陶瓷。另一方面，理论计算表明，α-Si₃N₄的显微硬度约为23GPa，β-Si₃N₄约为21GPa。因此，具有高α-Si₃N₄含量的氮化硅陶瓷是一种很有潜力的高硬度透明材料。

目前，已有少数几家研究机构制备出了半透明氮化硅陶瓷。如公开号为CN1736950A的中国发明专利，公开了一种以α-Si₃N₄为原料，Al₂O₃、MgO和Y₂O₃为烧结助剂，采用脉冲电流烧结的办法，在1750℃～1900℃保温0～15min的条件下，制备得到以α-Si₃N₄为主相，红外透过率在30％～45％的半透明氮化硅陶瓷。又如Sung R J等人采用α-Si₃N₄为原料，AlN和MgO为烧结助剂，在1900℃保温1小时的条件下，热压烧结制备了以α-Si₃N₄为主相的半透明氮化硅陶瓷(Sung R J，Kusunose T，Nakayama T，Kim Y H，Sekino T，Lee S，Niihara K，Mechanical properties of transparent polycrystallinesilicon nitride，Key Engineering Materials，2006，317-318：305-308.)。但上述制备方法所采用的烧结温度较高，存在能源耗费大，生产成本高的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中半透明氮化硅陶瓷制备温度偏高的问题，提出一种以极少量的氮化硅镁为烧结助剂，在1600℃以下的低温条件下热压烧结的方法。本发明所述方法从两方面保证了氮化硅陶瓷的透光和硬度性能，一方面在1600℃以下的温度保温较短时间可以确保原料中α-Si₃N₄尽可能不转变为β-Si₃N₄，这样可以使最终产品中α-Si₃N₄的含量较高，可以获得好的透光性和显微硬度；另一方面，以极少量的氮化硅镁为烧结助剂，使最终产品中晶界相的含量相当少，减少晶界相对光线的损失，减少硬度低的晶界相对产品显微硬度的负面影响，从而使得透光性和硬度得到保证。

本发明的技术方案：一种高硬度半透明氮化硅陶瓷的低温烧结方法，它包括以下步骤：

1)以α-Si₃N₄和MgSi N₂为起始原料，两者重量比例为100∶2～1；

2)将上述步骤1)中含有烧结助剂的粉料混合均匀后，装入石墨模具中，在20～60MPa、1550℃～1600℃、保温时间0.5～2小时、氮气气氛保护条件下热压烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温。

上述方法中：

所述的α-Si₃N₄粉的α相含量＞90wt％。

所述的MgSiN₂粉体纯度＞98wt％。

与现有技术相比，本发明高硬度半透明氮化硅陶瓷的低温烧结方法的优点在于：

1、以极少量的烧结助剂制备出高硬度半透明氮化硅陶瓷；

2、在较低的温度下制备出高硬度半透明氮化硅陶瓷，能源消耗低，生产成本低；

3、所制备的氮化硅陶瓷红外透过率可达58％，同时，显微硬度高于2200Kg/mm²。

附图说明

图1为本发明高硬度半透明氮化硅陶瓷制备方法的工艺流程图；

图2为本发明实施例1制得的氮化硅陶瓷实物照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明绝非局限于实施例。

实施例1

将含有1.5wt％烧结助剂氮化硅镁的粉料(α-Si₃N₄与MgSiN₂的重量比为100∶1.5)均匀混合后，将粉体装入石墨模具中，在20MPa、1600℃、保温时间1小时、氮气气氛保护条件下热压烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温。

由上述工艺制备的高硬度半透明氮化硅陶瓷红外透过率达58％，显微硬度H_V达2300Kg/mm^-2，三点抗折强度σ_b为856Mpa，断裂韧性K_IC为5.5MPa·m^1/2。所制得的实物如图2所示。

实施例2

将含有2wt％烧结助剂氮化硅镁的粉料(α-Si₃N₄与MgSiN₂的重量比为100∶2)均匀混合后，将粉体装入石墨模具中，在40MPa，1570℃，保温时间1.5小时，氮气保护条件下热压烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温。

由上述工艺制备的高硬度半透明氮化硅陶瓷红外透过率达49％，显微硬度H_V达2286Kg/mm^-2，三点抗折强度σ_b为906Mpa，断裂韧性K_IC为5.9MPa·m^1/2。

实施例3

将含有2wt％烧结助剂氮化硅镁的粉料(α-Si₃N₄与MgSiN₂的重量比为100∶2)均匀混合后，将粉体装入石墨模具中，在60MPa、1550℃、保温时间2小时、氮气气氛保护条件下热压烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温。

由上述工艺制备的高硬度半透明氮化硅陶瓷红外透过率达51％，显微硬度H_V达2314Kg/mm^-2，三点抗折强度σ_b为890Mpa，断裂韧性K_IC为5.7MPa·m^1/2。

实施例4

将含有1wt％烧结助剂氮化硅镁的粉料(α-Si₃N₄与MgSiN₂的重量比为100∶1)均匀混合后，将粉体装入石墨模具中，在60MPa、1600℃、保温时间0.5小时、氮气保护条件下热压烧结，烧结结束后样品随炉冷却至室温。

由上述工艺制备的高硬度半透明氮化硅陶瓷红外透过率达53％，显微硬度H_V达2346Kg/mm^-2，三点抗折强度σ_b为792Mpa，断裂韧性K_IC为5.0MPa·m^1/2。

Claims

1.一种高硬度半透明氮化硅陶瓷的低温烧结方法，其特征在于包括以下步骤：

1)以α-Si₃N₄和MgSiN₂为起始原料，两者重量比例为100∶2～1；

2.根据权利要求1所述的高硬度半透明氮化硅陶瓷的低温烧结方法，其特征在于：所述的α-Si₃N₄粉的α相含量＞90wt％。

3.根据权利要求1或2所述的高硬度半透明氮化硅陶瓷的低温烧结方法，其特征在于：所述的MgSiN₂粉体纯度＞98wt％。