CN106904976A - 燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法 - Google Patents

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Abstract

燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法，它涉及一种制备复合陶瓷的方法。本发明解决了现有制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法能耗高、生产周期长、生产效率低的问题。本发明方法如下：将干燥后的原料在混料罐中球磨得到粉末，然后将粉末压制成毛坯，再将毛坯放入高压反应器中，充入氮气、点火，发生自蔓延燃烧反应，自蔓延燃烧反应结束，即得氮化铝/氮化硼复合陶瓷。本发明方法利用原料的化学能，节约大量的能源，合成氮化铝/氮化硼复合陶瓷的反应过程只需几分钟，提高了生产效率。采用本发明方法所得氮化铝/氮化硼复合陶瓷的抗弯强度为60MPa~800MPa，断裂韧性为2MPam-1/2~9MPam-1/2。

Description

燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及一种制备复合陶瓷的方法。
背景技术
目前热压烧结法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法需要较长的加热及冷却时间(一般为几小时甚至几十小时)，而且需要后续加工，使得这种方法的生产效率较低，并且耗能。将硼酸、尿素和氮化铝混合粉还原氮化后获得BN包裹部分AlN的复合粉末，再将复合粉末经烧结制得AlN-BN复合陶瓷材料的方法，由于在复合粉末的加工过程中引人了较多的氧杂质，从而降低了AlN-BN复合陶瓷的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了解决现有制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法能耗高、生产周期长、生产效率低的问题，提供了一种燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法。
本发明燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法如下：一、将原料a及原料b分别在真空度小于10-3atm、温度为80℃～120℃条件下干燥10～20小时，然后将0～100重量份原料a和0～100重量份原料b放入混料罐中球磨20小时～25小时，得到粉末，其中原料a和原料b的重量份数均不为0份；二、将粉末压制成孔隙率为35％～45％的毛坯；三、将步骤二所得的毛坯放入高压反应器中，充入氮气至高压反应器中的压力为30MPa～200MPa，然后在毛坯上表面中心点火，发生自蔓延燃烧反应，自蔓延燃烧反应结束，即得氮化铝/氮化硼复合陶瓷；步骤一中所述原料a由TiB2、TiN、TiCN、TiC、ZrB2、ZrC、NbC、NbN、TaN及TaC中的一种或几种与铝粉组成，原料a中铝粉的重量百分比为20％～80％；步骤一中所述原料b由硅粉和钛粉混合物、钛粉及硅粉中的一种与碳化硼组成，原料b中碳化硼的摩尔百分比为50％。
本发明方法还可以在步骤一中将原料a、原料b及稀释剂分别在真空度小于10- 3atm、温度为80℃～120℃条件下干燥10小时～20小时，然后将经过干燥的原料a、原料b和稀释剂放入混料罐球磨20小时～25小时，得到混合粉末；步骤一中原料a的重量份数为0～100份，原料b重量份数为0～100份，稀释剂重量份数为0～70份，原料a、原料b及稀释剂重量份数均不为0份；步骤一中所述的稀释剂为陶瓷类稀释剂或金属类稀释剂；所述的金属类稀释剂是Ni、W、Cr、Co、Fe、Cu、V、Pd、Ir、Rh、Re、Os、Ru、Hf及Ta中的一种或几种的组合；所述的陶瓷类稀释剂为BN、AlN、SiC、HfC、C、ZrC、TiC、B4C、Si3N4、MoSi2、Al2O3、ZrO2、CaO、MgO、SiO2、Y2O3、钛酸铝、莫莱石及TiO2中的一种或几种的组合；所述的陶瓷类稀释剂C为无定形碳、石墨、金刚石、碳纤维、碳纳米管或巴基球。
本发明制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法所利用的化学反应如下：
x(Al+yTiB2)+B4C+Si+(2+0.5x)N2＝x(AlN+yTiB2)+4BN+SiC
式中通过控制x，来控制氮化铝/氮化硼复合陶瓷中氮化铝相的含量。
本发明方法利用原料的化学能，只需很小的能量点火后即可完成反应，从而节约大量的能源，并降低产品的成本，而且合成氮化铝/氮化硼复合陶瓷的反应过程只需几分钟，提高了生产效率，燃烧合成氮化铝/氮化硼复合陶瓷过程中的高温(温度可达2000℃～4000℃)有利于杂质的挥发，因而采用本发明方法得到的氮化铝/氮化硼复合陶瓷的纯度很高，性能优良。燃烧合成氮化铝/氮化硼复合陶瓷过程中所产生的高温，使二硼化钛与铝液具有良好的润湿性，一方面可强化液相烧结作用，提高氮化铝/氮化硼复合陶瓷的致密度，另一方面可提高铝的反应速率，提高氮化铝/氮化硼复合陶瓷的转化率。其他一些物质也具有与二硼化钛相似的特性，在高温下与铝液具有良好的润湿性，如TiN、TiCN、TiC、ZrB2、ZrC、NbC、NbN、TaN及TaC。采用本发明方法所得氮化铝/氮化硼复合陶瓷的抗弯强度为60MPa～800MPa，断裂韧性为2MPam-1/2～9MPam-1/2。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法如下：一、将原料a及原料b分别在真空度小于10-3atm、温度为80℃～120℃条件下干燥10～20小时，然后将0～100重量份原料a和0～100重量份原料b放入混料罐中球磨20小时～25小时，得到粉末，其中原料a和原料b的重量份数均不为0份；二、将粉末压制成孔隙率为35％～45％的毛坯；三、将步骤二所得的毛坯放入高压反应器中，充入氮气至高压反应器中的压力为30MPa～200MPa，然后在毛坯上表面中心点火，发生自蔓延燃烧反应，自蔓延燃烧反应结束，即得氮化铝/氮化硼复合陶瓷；步骤一中所述原料a由TiB2、TiN、TiCN、TiC、ZrB2、ZrC、NbC、NbN、TaN及TaC中的一种或几种与铝粉组成，原料a中铝粉的重量百分比为20％～80％；步骤一中所述原料b由钛粉或硅粉与碳化硼组成，原料b中碳化硼的摩尔百分比为50％。
本实施方式所得氮化铝/氮化硼复合陶瓷的抗弯强度为60MPa～400MPa，断裂韧性为2MPam-1/2～5MPam-1/2。

Claims (6)

1.燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法，其特征在于燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法如下：一、将原料a及原料b分别在真空度小于10-3atm、温度为80℃～120℃条件下干燥10～20小时，然后将0～100重量份原料a和0～100重量份原料b放入混料罐中球磨20小时～25小时，得到粉末，其中原料a和原料b的重量份数均不为0份；二、将粉末压制成孔隙率为35％～45％的毛坯；三、将步骤二所得的毛坯放入高压反应器中，充入氮气至高压反应器中的压力为30MPa～200MPa，然后在毛坯上表面中心点火，发生自蔓延燃烧反应，自蔓延燃烧反应结束，即得氮化铝/氮化硼复合陶瓷；步骤一中所述原料a由TiB2、TiN、TiCN、TiC、ZrB2、ZrC、NbC、NbN、TaN及TaC中的一种或几种与铝粉组成，原料a中铝粉的重量百分比为20％～80％；步骤一中所述原料b由硅粉和钛粉混合物、钛粉及硅粉中的一种与碳化硼组成，原料b中碳化硼的摩尔百分比为50％。
2.权利要求1所述的燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法，其特征在于步骤一中将原料a、原料b及稀释剂分别在真空度小于10-3atm、温度为80℃～120℃条件下干燥10小时～20小时，然后将经过干燥的原料a、原料b和稀释剂放入混料罐球磨20小时～25小时，得到混合粉末；步骤一中原料a的重量份数为0～100份，原料b重量份数为0～100份，稀释剂重量份数为0～70份，原料a、原料b及稀释剂重量份数均不为0份。
3.根据权利要求2所述的燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法，其特征在于步骤一中所述的稀释剂为陶瓷类稀释剂或金属类稀释剂。
4.根据权利要求3所述的燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法，其特征在于步骤一中所述的金属类稀释剂是Ni、W、Cr、Co、Fe、Cu、V、Pd、Ir、Rh、Re、Os、Ru、Hf及Ta中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求3所述的燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法，其特征在于步骤一中所述的陶瓷类稀释剂为BN、AlN、SiC、HfC、C、ZrC、TiC、B4C、Si3N4、MoSi2、Al2O3、ZrO2、CaO、MgO、SiO2、Y2O3、钛酸铝、莫莱石及TiO2中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求5所述的燃烧合成法制备氮化铝/氮化硼复合陶瓷的方法，其特征在于步骤一中所述的陶瓷类稀释剂C为无定形碳、石墨、金刚石、碳纤维、碳纳米管或巴基球。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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