CN104108938A

CN104108938A - 一种制备Sialon陶瓷的方法

Info

Publication number: CN104108938A
Application number: CN201410315550.2A
Authority: CN
Inventors: 王涛; 余娟丽; 吕毅; 郭世峰; 赵英民; 裴雨辰
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2014-10-22

Abstract

本发明提出一种制备Sialon陶瓷的方法，通过混料、注模、冷冻、干燥和烧结等步骤制备Sialon陶瓷。本发明将所需氮化硅、氮化铝、氧化钇等陶瓷粉体和二氧化硅溶胶球磨混合，浆料经脱气处理后注入模具，转移至液氮中冷冻凝胶，脱模后所得湿坯在常压下干燥，最后在烧结炉中高温烧结，即得到Sialon陶瓷材料。整套工艺简单，周期短，成本低，重复性好，材料性能稳定。

Description

一种制备Sialon陶瓷的方法

技术领域

本发明涉及一种制备Sialon陶瓷的方法，属于特种、功能、结构技术领域。

背景技术

Sialon陶瓷是Si-Al-O-N和相关体系中氮化硅固溶体的总称，是一种宽范围的固溶体材料，通过调整固溶体的组分比例，按预定的性能进行成分设计而满足各种使用要求，形成了一个材料体系。Sialon陶瓷具有优良的耐腐蚀性、耐热冲击性、高温强度、电绝缘强度、化学稳定性等性能，是一种优异的高性能陶瓷材料，在耐高温、耐腐蚀、机械制造、航空航天等高技术领域得到了广泛的应用。

Sialon陶瓷可采用干压、等静压、注浆、注凝等多种工艺方法成型。其中，干压和等静压成型工艺简便，但只能成型厚度小、形状简单的制品，难以应用于大尺寸或较复杂形状制品的成型；注浆成型可制备复杂形状的Sialon陶瓷制品，但其往往需要一周甚至更长的成型、干燥时间，对环境温度和湿度的要求也较为苛刻，且坯体强度低，烧结过程中形变显著；注凝成型是在注浆工艺中引入适量的有机凝胶发展而来的，可制备大尺寸、复杂形状的Sialon陶瓷制品，坯体强度很高，但烧结前需要较长时间的排胶，有机物的裂解和排出过程容易引入杂质以及气孔、微裂纹等缺陷，同时工艺过程中所使用的有机单体对人体有害。上述成型工艺的不足影响了Sialon陶瓷性能的稳定性，在制备大尺寸、复杂形状Sialon陶瓷方面工艺重复性差，成品率低，限制了Sialon陶瓷制品的进一步推广应用。

专利“一种多孔β-SiAlON陶瓷的制备方法(专利申请号：201210341253.6)”提到了一种低温冷冻、真空干燥的成型工艺(简称为冷冻干燥成型工艺)，利用有机添加剂在低温下凝固的性质实现浆料的固化，浆料在低温冷冻后成为固态，升温到介质熔点以上后凝固的有机添加剂会融化，使固化的浆料重新获得流动性或触变性，因此，干燥过程必须及时在负压或真空条件下进行，需要使用专门的干燥设备，并且需要控制温度(-1℃～1℃)使崁烯能够挥发，同时又不能融化和再结晶。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种无有机添加剂、无需特殊成型设备、常温常压干燥状态下制备各种尺寸和形状的Sialon陶瓷材料的方法，实现了近净成型，降低了Sialon陶瓷的研制和生产成本。

本发明的技术解决方案：一种制备Sialon陶瓷的方法，包括以下步骤：

第一步，制备陶瓷浆料，

将陶瓷粉体加入二氧化硅溶胶中，球磨均匀得到陶瓷浆料；

陶瓷粉体包括氮化铝粉体和烧结助剂；烧结助剂可选用氧化钇或/和氧化镱。烧结助剂的添加量为本领域公知技术，一般为原料(去除二氧化硅溶胶中水分)中的质量分数为1～15％，具体可根据工程实际进行选择。

陶瓷浆料中氮元素、硅元素和铝元素比例满足mol(Si)∶mol(Al)∶mol(N)＝(6-x)∶x∶(8-x)，x∈[1.7，4]，二氧化硅溶胶的固相体积含量一般为10～25％，在满足上式比例范围的情况下，可以根据选取的二氧化硅溶胶和氮化铝粉体的量，在陶瓷粉体中加入氮化硅粉体和/或二氧化硅粉体。

氮化硅粉体粒径为0.40～1.00微米，纯度为99.9％，其中α相含量不小于93％；氮化铝粉体粒径为0.50～6.00微米，纯度为98.5％；二氧化硅粉体粒径为0.50～20.00微米，纯度为98％。

球磨时间一般为10～60分钟，以陶瓷粉体在二氧化硅溶胶中分散均匀为准。制备得到的陶瓷浆料中的固相体积分数为35～70％。

第二步，陶瓷浆料脱气后注模后，进行低温冷冻；

陶瓷浆料脱气5～15分钟后再注入模具，具体时间选择为本领域公知技术，在实际中可自行选择。在液氮中静置5～60分钟，使浆料完全冷冻为固体，具体时间应根据制品大小，通过试验来确定。

本发明不需要添加任何有机物，利用的是硅溶胶在低温下冷冻可凝胶固化的性质，而且硅溶胶本身就是目标产物的一种原材料。硅溶胶的冷冻凝胶过程是不可逆的，一旦冷冻，坯体就已经成型，升温后不会融化，不会融化和变形，干燥时只要具备水分挥发的条件即可，其干燥过程在常压下完成，不需要真空条件，也不需要严格控制干燥温度。低温冷冻温度为≤-40℃，一般可采用液氮或其他冷冻形式。

本发明原理：本发明利用冷冻凝胶将陶瓷浆料低温冷冻后凝胶固化，其冷冻固化时间仅需几分钟到几十分钟，再次升温到冰点以上后所得陶瓷坯体仍将保持冷冻时的形状和尺寸，不会融化，因此，其干燥过程简单，没有真空或压力条件的限制，不需要冷冻干燥机等设备，本发明具有显著的技术和成本优势。

第三步，脱模，得到陶瓷生坯；

液氮中冷冻5～60分钟后，在室温下静置，当模具恢复到0℃以上后脱模，得到陶瓷湿坯。操作过程中应保持模具平稳，避免强烈振动，避免液氮与浆料直接接触。

第四步，陶瓷生坯在常压下干燥；

根据上述描述，本发明陶瓷生坯可在常压下干燥，干燥温度没有严格的限制，可以在常温下干燥，也可以根据需要在1～100℃中任选温度，干燥时间为2～48小时，根据干燥温度和陶瓷生坯的干燥程度进行选择。干燥过程中可通过升温加快干燥速率，升温速率不应超过2℃/分钟，最高温度不易超过100℃。

第五步，烧结后得到Sialon陶瓷材料。

将坯体放入烧结炉中进行烧结，然后随炉冷却，得到Sialon陶瓷材料。坯体的烧结方式为无压烧结、气氛压力烧结或热压烧结，烧结气氛为氮气。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过在硅溶胶上使用冷冻凝胶技术，利用硅溶胶(本身就是目标产物的一种原材料)在低温下冷冻可凝胶固化的性质，不需要添加任何有机物，且硅溶胶的冷冻凝胶过程是不可逆的，一旦冷冻，坯体就已经成型，升温后不会融化，不会融化和变形，干燥时只要具备水分挥发的条件即可，因此其干燥过程在常压下完成，不需要真空条件，也不需要严格控制干燥温度；

(2)本发明采用冷冻凝胶工艺制备Sialon陶瓷材料及其制品，工艺简单、周期短，成本低，操作方便；

(3)本发明可实现近净成型，降低了Sialon陶瓷的研制和生产成本；

(4)本发明成型的坯体强度高，均匀性好，可用于制备大尺寸、复杂形状的Sialon陶瓷制品；

(5)本发明的工艺过程中不需要添加任何有机物质，不需要排胶，不会对环境造成污染；

(6)本发明可按照预定的性能进行成分设计，通过调整陶瓷浆料中各原料的比例制备出满足不同使用要求的Sialon陶瓷材料及其制品；

(7)本发明对于相关结构、功能陶瓷材料的成型工艺研究均有借鉴意义。

说明书附图

图1为本发明流程原理图。

具体实施方式

本发明如图1所示，通过以下步骤实现：

将所需氮化硅、氮化铝、氧化钇、二氧化硅等陶瓷粉体和二氧化硅溶胶球磨混合，浆料经脱气处理后注入模具，转移至液氮中冷冻凝胶，脱模所得湿坯在常压下干燥，最后在烧结炉中高温烧结，即得到Sialon陶瓷材料，整套工艺简单，周期短，成本低，重复性好，材料性能稳定。

实施例1

称取88.96克氮化硅粉体，α相含量为93％，粒径为0.40～0.60微米；称取81.98克氮化铝粉体，粒径为0.50～6.00微米，纯度为98.5％；称取20克二氧化硅粉体，粒径为15微米，纯度为98％；称取11克氧化钇粉体，粒径为0.6～0.8微米，纯度为99.5％；量取80毫升二氧化硅溶胶，其固相含量为23％；将上述粉体和溶胶混合，球磨30分钟，所得浆料在-0.1MPa下搅拌5分钟后注入模具，将模具转移到液氮容器中，缓慢充入液氮，静置10分钟，将模具取出，在室温下静置，当模具恢复到0℃以上后脱模，所得湿坯在室温下干燥48小时，放入高温气氛烧结炉，在氮气气氛下，1780℃烧结2小时，随炉冷却到室温，即得到Sialon陶瓷材料。

对本实施例制备得到的Sialon陶瓷材料，参照标准GB/T6569-2006测试弯曲强度和弹性模量，参照标准ASTM D2520-95测试介电常数和损耗角正切值，采用X射线光电子能谱仪分析试样新鲜断口的元素组成，具体数据见表1。

实施例2

称取131.17克氮化铝粉体，粒径为0.50～6.00微米，纯度为98.5％；称取6克氧化钇粉体，粒径为0.6～0.8微米，纯度为99.5％；量取175毫升二氧化硅溶胶，其固相含量为23％；将上述粉体和溶胶混合，球磨30分钟，所得浆料在-0.1MPa下搅拌5分钟后注入模具，将模具转移到液氮容器中，缓慢充入液氮，静置10分钟，将模具取出，在室温下静置，当模具恢复到0℃以上后脱模，所得湿坯在室温下干燥48小时，放入高温气氛烧结炉，在氮气气氛下，1780℃烧结2小时，随炉冷却到室温，即得到Sialon陶瓷材料。

本实施例制备得到的Sialon陶瓷材料经实施例1中所述的各项性能检测，具体数据见表1。

实施例3

称取204.6克氮化硅粉体，α相含量为93％，粒径为0.40～0.60微米；称取83.62克氮化铝粉体，粒径为0.50～6.00微米，纯度为98.5％；称取23.5克氧化钇粉体，粒径为0.6～0.8微米，纯度为99.5％；量取111.44毫升二氧化硅溶胶，其固相含量为23％；将上述粉体和溶胶混合，球磨30分钟，所得浆料在-0.1MPa下搅拌5分钟后注入模具，将模具转移到液氮容器中，缓慢充入液氮，静置10分钟，将模具取出，在室温下静置，当模具恢复到0℃以上后脱模，所得湿坯在室温下干燥48小时，放入高温气氛烧结炉，在氮气气氛下，1780℃烧结2小时，随炉冷却到室温，即得到Sialon陶瓷材料。

表1

注：x值根据mol(Si)∶mol(Al)∶mol(N)＝(6-x)∶x∶(8-x)，x∈[1.7，4]以及实际测试得到的元素比例计算得到。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims

1.一种制备Sialon陶瓷的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，制备陶瓷浆料，

将陶瓷粉体加入二氧化硅溶胶中，球磨均匀得到陶瓷浆料；

第二步，陶瓷浆料脱气后注模后，进行低温冷冻；

第三步，脱模，得到陶瓷生坯；

第四步，陶瓷生坯在常压下干燥；

第五步，烧结后得到Sialon陶瓷材料。

2.根据权利要求1所述的一种制备Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第一步陶瓷粉体包括氮化铝粉体和烧结助剂。

3.根据权利要求1所述的一种制备Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第一步陶瓷粉体还包括氮化硅粉体和/或二氧化硅粉体。

4.根据权利要求1所述的一种制备Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第一步陶瓷浆料中氮元素、硅元素和铝元素比例满足mol(Si)∶mol(Al)∶mol(N)＝(6-x)∶x：(8-x)，x∈[1.7，4]。

5.根据权利要求1所述的一种制备Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第一步陶瓷浆料中的固相体积分数为35～70％。

6.根据权利要求1所述的一种制备Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第二步在液氮中静置5～60分钟。

7.根据权利要求1所述的一种制备Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第五步陶瓷生坯的干燥条件为常温或1～100℃，干燥时间为2～48小时。

8.根据权利要求1所述的一种制备Sialon陶瓷的方法，其特征在于：所述第二步低温冷冻温度为≤-40℃。