CN107434416A - 一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法 - Google Patents

一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107434416A
CN107434416A CN201710652912.0A CN201710652912A CN107434416A CN 107434416 A CN107434416 A CN 107434416A CN 201710652912 A CN201710652912 A CN 201710652912A CN 107434416 A CN107434416 A CN 107434416A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon nitride
sintering
sintering aid
ceramics
tough
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710652912.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107434416B (zh
Inventor
陈海*
陈海
赵煊
李家镜
董丽华
尹衍升
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Dajing Marine New Materials Co Ltd
Shanghai Maritime University
Original Assignee
Shanghai Dajing Marine New Materials Co Ltd
Shanghai Maritime University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Dajing Marine New Materials Co Ltd, Shanghai Maritime University filed Critical Shanghai Dajing Marine New Materials Co Ltd
Priority to CN201710652912.0A priority Critical patent/CN107434416B/zh
Publication of CN107434416A publication Critical patent/CN107434416A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107434416B publication Critical patent/CN107434416B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/58—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3217—Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3852—Nitrides, e.g. oxynitrides, carbonitrides, oxycarbonitrides, lithium nitride, magnesium nitride
    • C04B2235/3886—Refractory metal nitrides, e.g. vanadium nitride, tungsten nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5418—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof
    • C04B2235/5445—Particle size related information expressed by the size of the particles or aggregates thereof submicron sized, i.e. from 0,1 to 1 micron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法，该烧结助剂包含：稀土金属氮化物、稀土金属氧化物和金属氧化物。其中，稀土金属氮化物：稀土金属氮化物：金属氧化物的质量比为3～5：3.5～4.5：1.5～2.5；稀土金属氮化物包含：氮化钒。本发明的陶瓷材料为氮化硅陶瓷，其通过添加上述烧结助剂，细化了氮化硅晶粒，制备得到的氮化硅陶瓷的强度大，韧性好，抗弯折能力强。

Description

一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法
技术领域
本发明涉及一种氮化硅陶瓷，具体涉及一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法。
背景技术
作为高温结构陶瓷重要成员之一的氮化硅陶瓷，较其它高温结构陶瓷，如氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等，更具有优异的力学性能、热学性能、化学稳定性及抗有色金属熔体侵蚀性，是陶瓷发动机首选陶瓷材料，被认为是高温结构陶瓷中最有发展潜力的材料，广泛应用于机械、海洋工程、航空航天、化工等重要领域。
氮化硅为无机共价化合物，有两个结晶相，α和β。α型是等轴状晶粒，硬度较高；β型是棱柱状晶粒，具有较高的强度和断裂韧性。纯氮化硅难以烧结致密，通常需要添加烧结助剂，在高温下产生液相，通过液相烧结达到致密化，同时液相烧结过程中往往伴随着相变的发生。因此，烧结助剂是影响氮化硅陶瓷显微结构和性能的关键因素之一，有效的烧结助剂不仅可以降低体系烧结温度，改善材料显微结构，而且可以显著提高材料的力学性能。常用的氮化硅烧结助剂有氧化铝、氧化钇、氧化镁等，它们在烧结中所起的作用各不相同，目前研究的主要是各种复合氧化物添加剂，采用上述烧结助剂时氮化硅的烧结温度通常大于1700℃，得到的多为β-Si3N4为主相的陶瓷材料。
由于氧化物作为烧结助剂会在烧结时液相中引入大量氧杂质，提高了氮化硅陶瓷晶格内氧杂质，从而使氮化硅晶粒增大，降低了硬度、韧性、抗弯强度，并且使氮化硅陶瓷的热导率降低。
在钢铁工业中，氮化钒(VN)主要在钢中发挥细化晶粒、提高热导率和沉淀硬化的作用，VN除广泛应用于冶金材料外，还应用于陶瓷、电子、高温涂层材料等领域，越来越受关注。
经对现有技术文献的检索发现，公开号为CN105439620A的中国专利公开了一种放电等离子烧结氮化硅的方法，该方法的不足在于烧结助剂为MgO、Al2O3、Y2O3中的一种或几种，烧结助剂全为氧化物使得烧结所得试样的抗弯强度较低，在40～70MPa。
经文献检索还发现，杨亮亮等在《硅酸盐学报》(2015年12月，第43卷第12期，第1712-1718页)发表了“MgO–Al2O3–CeO2复合烧结助剂对放电等离子烧结氮化硅陶瓷致密化和性能的影响”，具体方法为：采用放电等离子烧结工艺制备氮化硅陶瓷，混合粉体中Si3N4、MgO、Al2O3和CeO2的质量比为91：3：3：3，烧结温度为1500-1650℃，该方法所得到的氮化硅产物的断裂韧性较低，为8.82MPa·m1/2，对烧结性能有所影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法，解决了现有技术的氮化硅陶瓷抗弯强度和断裂韧性较低等问题，其氮化硅晶粒细化，陶瓷的强度大，韧性好，抗弯折能力强。
为了达到上述目的，本发明提供了一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，该烧结助剂包含：稀土金属氮化物、稀土金属氧化物和金属氧化物。
其中，所述的稀土金属氮化物：稀土金属氮化物：金属氧化物的质量比为3～5：3.5～4.5：1.5～2.5。
其中，所述的稀土金属氮化物包含：氮化钒。
所述的稀土金属氧化物包含：氧化钇。
所述的金属氧化物包含：氧化铝。
本发明还提供了一种高强韧氮化硅陶瓷材料，该陶瓷包含以下百分质量比的组份：90～93％氮化硅和7～10％烧结助剂。
其中，所述的烧结助剂为所述的高强韧氮化硅的烧结助剂。
所述的氮化硅的粒径为0.2μm～0.6μm。
本发明还提供了一种根据所述的高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，该方法包含：
步骤1：将经过真空或氮气保护的氮化硅粉为原料，与所述的烧结助剂混合并研磨，将混合物通过50-200目筛网；
步骤2：将通过50-200目筛网的混合物放入石墨模具中，压实，连同模具一起置于放电等离子烧结装置的上下电极之间，抽真空，通电升温并加压，达到烧结温度和预设轴向压力后，保温，待保温结束后断电冷却，将得到的试样取出；
步骤3：对所述的试样进行打磨清理，去除表面碳纸渣，得到所述的高强韧氮化硅陶瓷。
在步骤1中，所述的研磨采用湿磨方式，将混合的烧结助剂和氮化硅粉装入球磨机中，加入酒精，进行球磨，待球磨结束后，对浆料进行干燥。
所述的球磨的转速为400～600rad/min；酒精浓度大于等于99.7％，烧结助剂和氮化硅粉的总质量：酒精的体积＝1：2～3。
在步骤2中，通电的脉冲电流的大小为200A～3200A，升温速度为200℃/min，所述的烧结温度为1500℃～1700℃，保温时间为5min～10min。
在步骤2中，所述的预设轴向压力为45MPa～55MPa。
本发明的高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法，解决了现有技术的氮化硅陶瓷抗弯强度和断裂韧性较低等问题，具有以下优点：
(1)本发明的烧结助剂中添加有氮化钒，氮化钒具有更有效的强化和细化晶粒作用，能够细化氮化硅，从而提高陶瓷的断裂韧性；
(2)本发明的烧结助剂含有一定的质量比的稀土金属氮化物、稀土金属氮化物和金属氧化物，烧结助剂中选取的稀土金属和金属不同、各组份含量的不同，会对陶瓷烧结过程和得到的陶瓷具有不同的影响，本发明的氮化硅，以及其含量使得烧结得到的陶瓷具有很好的致密性、抗弯折强度和断裂韧性；
(3)本发明的烧结方法采用放电等离子烧结方式，其利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法，升、降温速度快，在烧结过程中加压，烧结时间短，而且能够降低烧结温度，有效阻止了晶粒生长，从而细化晶粒，得到致密的陶瓷。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，该烧结助剂包含：稀土金属氮化物、稀土金属氧化物和金属氧化物。稀土金属氮化物：稀土金属氮化物：金属氧化物的质量比为3～5：3.5～4.5：1.5～2.5。其中，稀土金属氮化物包含：氮化钒(VN)。
上述稀土金属氧化物包含：氧化钇。
上述金属氧化物包含：氧化铝。
一种高强韧氮化硅陶瓷材料，该陶瓷材料包含以下百分质量比的组份：90～93％氮化硅和7～10％烧结助剂。其中，烧结助剂为上述高强韧氮化硅的烧结助剂。氮化钒具有更有效的强化和细化晶粒作用，能够细化氮化硅，而且氮化钒的加入避免了氧化物作为烧结助剂会在烧结的时液相中引入大量氧杂质，提高了氮化硅陶瓷晶格内氧杂质，从而使氮化硅晶粒增大的问题，从而提高陶瓷的断裂韧性、硬度和抗弯强度，并且使氮化硅陶瓷的热导率降低。
上述氮化硅的粒径为0.2μm～0.6μm。优选地，氮化硅的粒径为0.2μm，粒径越细则其比表面积越大，烧结活性越高，越易烧结。
一种根据上述高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，该方法包含：
步骤1：将经过真空或氮气保护的氮化硅粉为原料，与烧结助剂混合并研磨，将混合物通过100目筛网；采用真空或氮气保护的氮化硅粉为原料，是为了避免氧化；
步骤2：将通过50-200目筛网的混合物放入石墨模具中，压实，连同模具一起置于放电等离子烧结(SPS)装置的上下电极之间，抽真空(避免氮化硅粉被氧化)，通电升温并加压，达到烧结温度和预设轴向压力后，保温，保温时间短可以在达到要求的致密度的同时尽可能的保证晶粒不长大，从而保证了烧结所得氮化硅的断裂韧性，保温时间为5min～10min，待保温结束后断电冷却，将得到的试样取出；可根据不同的要求过不同目的筛网；通电的脉冲电流的大小为200A～3200A，通电电流的大小对加热速度、烧结温度和保温时间均有影响，并且直流电流烧结的材料的强度要低于脉冲电流的烧结材料。在烧结温度相同的情况下，较大的脉冲电流能更好地提高颗粒的界面结合强度，促进烧结颈的生成与长大，但脉冲频率也不是越高越好；
步骤3：对试样进行打磨清理，去除表面碳纸渣，得到高强韧氮化硅陶瓷。
在步骤1中，研磨采用湿磨方式，将混合的烧结助剂和氮化硅粉装入球磨机中，加入酒精，酒精浓度大于等于99.7％，烧结助剂和氮化硅粉的总质量：酒精的体积＝1：2～3，进行球磨，待球磨结束后，对浆料进行干燥。酒精作为球磨介质，其能够在挥发过程中带走球磨产生的热量，降低了体系的自由能，提高了体系的稳定性。球磨时间越久，颗粒越细，浆料的粘度就越大，酒精能够降低料浆的粘度，促进颗粒的分散，从而提高料浆的可流动性，阻止物料颗粒在球磨机上粘附及颗粒之间的团聚。在球磨过程中，随着颗粒越细，其表面积增大，使得颗粒很容易被氧化，酒精能够减缓颗粒的氧化过程。
在步骤2中的SPS装置，其利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，氮化钒具有导电性，能够使烧结体内部颗粒产生焦耳热并使颗粒表面活化，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落，高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去处表面氧化物等)，而且其电场能够加快扩散过程。因此，SPS装置升、降温速度快，在烧结过程中加压，烧结时间短，而且能够降低烧结温度，有效阻止了晶粒生长，从而细化晶粒，得到致密的陶瓷。
上述球磨的转速为400～600rad/min，转速太低会达不到所要求的粒径，粒径过大会影响烧结活性，不易烧结；转速太高会使粉末团聚，同样影响烧结性能，球磨时间为36h～48h。
上述浆料干燥为90℃，但并不作为限定，只需达到酒精的挥发温度即可，干燥时间为12h～24h，但并不作为限定，只需酒精挥干即可。球磨时间需要至少24h，超过48h后，对氮化硅陶瓷的性能改善不明显。
在步骤2中，升温速度为200℃/min，烧结温度为1500℃～1700℃，烧结温度的高低直接影响到致密化程度和晶粒的大小，进而影响氮化硅陶瓷的综合性能。
在步骤2中，预设轴向压力为45MPa～55MPa。压力过小会导致烧结不够致密，致密度达不到要求，同时会使晶粒长大，影响断裂韧性；压力过大则会对石墨模具造成破坏。
在步骤2中，石墨模具的内经为20mm，但并不作限定。
现有技术的烧结时间均较长，如无压烧结法需要4h～6h，热压烧结法需要2h～4h，气压烧结法需要4h～6h，等静压成型烧结法需要2h～6h。本申请的放电等离子烧结法仅需要15min～20min，烧结时间很短。
实施例1
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，该烧结助剂包含：5gVN、3.5gY2O3和1.5gAl2O3。
一种高强韧氮化硅陶瓷材料，该陶瓷材料包含：90g氮化硅粉和10g上述烧结助剂，氮化硅粉的粒径为0.2μm。
实施例2
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，该方法包含：
步骤1：以经过真空或氮气保护的上述氮化硅粉为原料，将90g氮化硅粉与10g上述烧结助剂装入球磨机，加入浓度为99.7％的酒精，酒精的体积：氮化硅和烧结助剂的总质量＝2:1，设置转速为400rad/min，48h后取出浆料放入烘箱，90℃烘24h，将混合物通过100目筛网；
步骤2：将通过100目筛网的混合物放入内经为20mm的石墨模具中，压实，连同模具一起置于SPS装置的上下电极之间，抽真空，通电，脉冲电流的大小为3200A，以200℃/min的速度升温并加压，达到烧结温度1700℃和轴向压力50MPa后，保温5min，待保温结束后断电冷却，将得到的试样取出；
步骤3：对出炉后的试样进行打磨清理，去除表面碳纸渣，得到高强韧氮化硅陶瓷。
实施例3
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，该烧结助剂包含：4gVN、3.5gY2O3和1.5gAl2O3。
一种高强韧氮化硅陶瓷材料，该陶瓷材料包含：91g氮化硅粉和9g上述烧结助剂，氮化硅粉的粒径为0.2μm。
实施例4
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，该方法包含：
步骤1：以经过真空或氮气保护的上述氮化硅粉为原料，将91g氮化硅粉与9g上述烧结助剂装入球磨机，加入无水乙醇，酒精的体积：氮化硅和烧结助剂的总质量＝3:1，设置转速为400rad/min，48h后取出浆料放入烘箱，90℃烘24h，将混合物通过100目筛网；
步骤2：将通过100目筛网的混合物放入内经为20mm的石墨模具中，压实，连同模具一起置于SPS装置的上下电极之间，抽真空，通电，脉冲电流的大小为200A，以200℃/min的速度升温并加压，达到烧结温度1650℃和轴向压力50MPa后，保温5min，待保温结束后断电冷却，将得到的试样取出；
步骤3：对出炉后的试样进行打磨清理，去除表面碳纸渣，得到高强韧氮化硅陶瓷。
实施例5
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，该烧结助剂包含：3gVN、2.5gY2O3和2.5gAl2O3。
一种高强韧氮化硅陶瓷材料，该陶瓷材料包含：92g氮化硅粉和8g上述烧结助剂，氮化硅粉的粒径为0.2μm。
实施例6
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，该方法包含：
步骤1：以经过真空或氮气保护的上述氮化硅粉为原料，将92g氮化硅粉与8g上述烧结助剂装入球磨机，加入浓度为99.7％的酒精，酒精的体积：氮化硅和烧结助剂的总质量＝2:1，设置转速为400rad/min，48h后取出浆料放入烘箱，90℃烘24h，将混合物通过100目筛网；
步骤2：将通过100目筛网的混合物放入内经为20mm的石墨模具中，压实，连同模具一起置于SPS装置的上下电极之间，抽真空，通电，脉冲电流的大小为200A，以200℃/min的速度升温并加压，达到烧结温度1600℃和轴向压力50MPa后，保温5min，待保温结束后断电冷却，将得到的试样取出；
步骤3：对出炉后的试样进行打磨清理，去除表面碳纸渣，得到高强韧氮化硅陶瓷。
实施例7
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，该烧结助剂包含：3gVN、2.5gY2O3和1.5gAl2O3。
一种高强韧氮化硅陶瓷材料，该陶瓷材料包含：93g氮化硅粉和7g上述烧结助剂，氮化硅粉的粒径为0.2μm。
实施例8
一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，该方法包含：
步骤1：以经过真空或氮气保护的上述氮化硅粉为原料，将93g氮化硅粉与7g上述烧结助剂装入球磨机，加入浓度为99.7％的酒精，酒精的体积：氮化硅和烧结助剂的总质量＝2:1，设置转速为400rad/min，48h后取出浆料放入烘箱，90℃烘24h，将混合物通过100目筛网；
步骤2：将通过100目筛网的混合物放入内经为20mm的石墨模具中，压实，连同模具一起置于SPS装置的上下电极之间，抽真空，通电，脉冲电流的大小为200A，以200℃/min的速度升温并加压，达到烧结温度1550℃和轴向压力50MPa后，保温5min，待保温结束后断电冷却，将得到的试样取出；
步骤3：对出炉后的试样进行打磨清理，去除表面碳纸渣，得到高强韧氮化硅陶瓷。
采用本领域常规的测定方法，对实施例1～8得到的高强韧氮化硅陶瓷进行性能测试，其组份、烧结温度和测试结果具体如下表所示：
综上所述，本发明的高强韧氮化硅陶瓷及其烧结助剂和烧结方法，该陶瓷使用的烧结助剂中的氮化钒能够细化氮化硅，提高陶瓷的断裂韧性，通过放电等离子烧结方式，烧结陶瓷的时间短，得到的陶瓷的强度大，韧性好，抗弯折能力强。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，其特征在于，该烧结助剂包含：稀土金属氮化物、稀土金属氧化物和金属氧化物；
所述的稀土金属氮化物：稀土金属氮化物：金属氧化物的质量比为3～5：3.5～4.5：1.5～2.5；
所述的稀土金属氮化物包含：氮化钒。
2.根据权利要求1所述的高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，其特征在于，所述的稀土金属氧化物包含：氧化钇。
3.根据权利要求1所述的高强韧氮化硅陶瓷的烧结助剂，其特征在于，所述的金属氧化物包含：氧化铝。
4.一种高强韧氮化硅陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷包含以下百分质量比的组份：90～93％氮化硅和7～10％烧结助剂；
所述的烧结助剂为权利要求1-3中任意一项所述的高强韧氮化硅的烧结助剂。
5.根据权利要求4所述的高强韧氮化硅陶瓷材料，其特征在于，所述的氮化硅的粒径为0.2μm～0.6μm。
6.一种根据权利要求5所述的高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1：将经过真空或氮气保护的氮化硅粉为原料，与所述的烧结助剂混合并研磨，将混合物通过50-200目筛网；
步骤2：将通过50-200目筛网的混合物放入石墨模具中，压实，连同模具一起置于放电等离子烧结装置的上下电极之间，抽真空，通电升温并加压，达到烧结温度和预设轴向压力后，保温，待保温结束后断电冷却，将得到的试样取出；
步骤3：对所述的试样进行打磨清理，去除表面碳纸渣，得到所述的高强韧氮化硅陶瓷。
7.根据权利要求6所述的高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，其特征在于，在步骤1中，所述的研磨采用湿磨方式，将混合的烧结助剂和氮化硅粉装入球磨机中，加入酒精，进行球磨，待球磨结束后，对浆料进行干燥。
8.根据权利要求7所述的高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，其特征在于，所述的球磨的转速为400～600rad/min；酒精浓度大于等于99.7％，烧结助剂和氮化硅粉的总质量：酒精的体积＝1：2～3。
9.根据权利要求6所述的高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，其特征在于，在步骤2中，通电的脉冲电流的大小为200A～3200A，升温速度为200℃/min，所述的烧结温度为1500℃～1700℃，保温时间为5min～10min。
10.根据权利要求6所述的高强韧氮化硅陶瓷的烧结方法，其特征在于，在步骤2中，所述的预设轴向压力为45MPa～55MPa。
CN201710652912.0A 2017-08-02 2017-08-02 一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法 Expired - Fee Related CN107434416B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710652912.0A CN107434416B (zh) 2017-08-02 2017-08-02 一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710652912.0A CN107434416B (zh) 2017-08-02 2017-08-02 一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107434416A true CN107434416A (zh) 2017-12-05
CN107434416B CN107434416B (zh) 2021-01-19

Family

ID=60459861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710652912.0A Expired - Fee Related CN107434416B (zh) 2017-08-02 2017-08-02 一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107434416B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110218096A (zh) * 2019-04-26 2019-09-10 广东工业大学 一种高硬高耐磨氮化硅陶瓷及其制备方法和应用
CN112645714A (zh) * 2020-12-28 2021-04-13 中材高新氮化物陶瓷有限公司 一种氮化硅陶瓷脱水元件及其制备方法和应用
CN112898031A (zh) * 2019-11-19 2021-06-04 广东工业大学 一种含稀土元素的高热导高强韧的氮化硅陶瓷材料及其制备方法
CN113200759A (zh) * 2021-05-26 2021-08-03 中南大学 非氧化物max相强韧化氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法
CN114988917A (zh) * 2022-05-05 2022-09-02 滁州用朴新材料科技有限公司 一种纳米复合高硬度陶瓷刀具材料及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103880431A (zh) * 2014-02-25 2014-06-25 丽水桉阳生物科技有限公司 高强度、导热性好的氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103880431A (zh) * 2014-02-25 2014-06-25 丽水桉阳生物科技有限公司 高强度、导热性好的氮化硅陶瓷刀具材料及刀具的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
梁振华等: "低温烧结T/U Si3N4 复相陶瓷及力学性能研究", 《广西师范大学学报: 自然科学版》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110218096A (zh) * 2019-04-26 2019-09-10 广东工业大学 一种高硬高耐磨氮化硅陶瓷及其制备方法和应用
CN112898031A (zh) * 2019-11-19 2021-06-04 广东工业大学 一种含稀土元素的高热导高强韧的氮化硅陶瓷材料及其制备方法
CN112645714A (zh) * 2020-12-28 2021-04-13 中材高新氮化物陶瓷有限公司 一种氮化硅陶瓷脱水元件及其制备方法和应用
CN113200759A (zh) * 2021-05-26 2021-08-03 中南大学 非氧化物max相强韧化氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法
CN113200759B (zh) * 2021-05-26 2022-04-22 中南大学 非氧化物max相强韧化氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法
CN114988917A (zh) * 2022-05-05 2022-09-02 滁州用朴新材料科技有限公司 一种纳米复合高硬度陶瓷刀具材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107434416B (zh) 2021-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107434416A (zh) 一种高强韧氮化硅陶瓷材料及其烧结助剂和烧结方法
Chakravarty et al. Spark plasma sintering of magnesia‐doped alumina with high hardness and fracture toughness
Padture In situ‐toughened silicon carbide
She et al. Effect of additive content on liquid-phase sintering on silicon carbide ceramics
Asl et al. A fractographical approach to the sintering process in porous ZrB2–B4C binary composites
Rehman et al. Microstructure and mechanical properties of B4C densified by spark plasma sintering with Si as a sintering aid
CN103182506B (zh) 一种TiCp/M2高速钢复合材料及其SPS制备方法
Souto et al. Effect of Y2O3 additive on conventional and microwave sintering of mullite
Wang et al. Effects and influence of Y2O3 addition on the microstructure and mechanical properties of binderless tungsten carbide fabricated by spark plasma sintering
Song et al. Mechanical properties and pre-oxidation behavior of spark plasma sintered B4C ceramics using (Ti3SiC2+ CeO2/La2O3) as sintering aid
Yaşar et al. Influence of oxygen content on the microstructure and mechanical properties of SPS SiC
Baharvandi et al. Processing and mechanical properties of boron carbide–titanium diboride ceramic matrix composites
CN101407421B (zh) 一种基于渗硅氮化制备无晶界相多孔氮化硅陶瓷的方法
CN101786165B (zh) 一种微波诱导自蔓延高温合成Nb/Nb5Si3复合材料的方法
Li et al. Fabrication of highly dense Ti 3 SiC 2 ceramics by pressureless sintering of mechanically alloyed elemental powders
Wang et al. Spark plasma sintering of polycrystalline La0. 6Ce0. 3Pr0. 1B6–ZrB2 composites
Wang et al. Microstructure, mechanical properties and ultra-high temperature thermal stability of GdB6 ceramics fabricated by reactive spark plasma sintering
JP2004043241A (ja) 高純度炭化けい素焼結体およびその製造方法
CN107043265A (zh) 一种冶金、有色熔炼炉用不烧镁铬砖及其制备方法
Li et al. Structure and mechanical properties of hot-pressed B4C-NdB6 composites
Yang et al. Densification, microstructure and properties of ultra-high temperature HfB2 ceramics by the spark plasma sintering without any additives
JPS5852950B2 (ja) 窒化珪素質焼結体の製造方法
CN107417271A (zh) 一种稀土铝(硅)酸盐棒状晶增强镁铝尖晶石材料的制备方法
CN102167586A (zh) 一种低温活化烧结8ysz基陶瓷及制备方法
JPH044992B2 (zh)

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210119

Termination date: 20210802