CN109694254B - 一种采用单一烧结助剂常压烧结制备致密氮化硅陶瓷的方法 - Google Patents

一种采用单一烧结助剂常压烧结制备致密氮化硅陶瓷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用单一烧结助剂常压烧结制备致密氮化硅陶瓷的方法，包括：以总配料质量100%计，将氮化硅粉体95～70%、烧结助剂5～30%均匀混合，得到混合粉体，所述烧结助剂为MgTiO3、Mg2TiO4和MgTi2O5中的一种；将所得的混合粉体成型，得到陶瓷素坯；将所得的陶瓷素坯置于烧结炉中在1600～1800℃的温度条件下常压烧结，得到致密氮化硅陶瓷。该烧结助剂有利于获得更加均匀的显微结构，使得TiN弥散分布在氮化硅基体中，从而进一步提高了材料的力学性能。

Description

一种采用单一烧结助剂常压烧结制备致密氮化硅陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及一种采用单一烧结助剂((MgO)x(TiO2)y)常压烧结制备氮化硅陶瓷的方法，更确切的说是以MgTiO3、Mg2TiO4或MgTi2O5作为烧结助剂，常压烧结制备高热导率且致密的氮化硅陶瓷材料的方法，属于非氧化物陶瓷制备技术领域。
背景技术
氮化硅陶瓷具有优异的力学性能，包括高的抗弯强度和断裂韧性，良好的抗热震性，较小的高温蠕变性，同时具有良好的耐磨损、耐腐蚀性等特点，广泛应用于结构陶瓷领域，诸如汽车，航空航天和电子等。
氮化硅属于强共价键结构，烧结困难，因此通常采用液相烧结的方法来制备致密的氮化硅陶瓷材料。同时氮化硅在高温下会发生分解，分解速率随着温度的升高而加快，尤其当烧结温度高于1850℃时，其分解速率迅速增加。因此通常采取两种方法来解决氮化硅的分解问题，一是通过施加氮气压力，抑制分解反应的进行，即气压烧结，最终在较高烧结温度制备出高性能的氮化硅陶瓷材料；二是通过选用适当的烧结助剂，在较低的温度制备出致密氮化硅陶瓷材料，即低温液相烧结技术。
目前高导热氮化硅陶瓷通常是采用高温、高氮压、长时间保温的方法来制备。日本的研究人员通过添加5mol％MgO和2mol％Y2O3作为烧结助剂在0.1MPa氮气气氛、1400℃条件下反应烧结4小时，然后在1MPa氮气气氛，1900℃条件下保温60小时，最后以0.2℃/分钟速度降温，得到热导率为177W/(m·K)的氮化硅陶瓷。尽管该技术可以得到优异的导热性能，但是成本较高，对设备的要求苛刻，限制了氮化硅陶瓷的进一步发展应用。也有学者探讨过低温液相烧结技术，但通常需要较高的烧结助剂含量，因此导致材料的相关性能(力学性能和热学性能等)下降，其中对烧结助剂种类选择以及烧结助剂含量优化是常压烧结氮化硅陶瓷的关键。文献报道的氮化硅烧结通常选用两元或多元氧化物，氟化物等作为烧结助剂，往往会造成材料微结构的不均匀，进而影响材料的性能均匀性，因此单一烧结助剂是制备均匀结构陶瓷的有效途径。目前关于单一烧结助剂常压烧结氮化硅陶瓷热导率研究的文献报道不多。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种采用单一烧结助剂体系，通过常压液相烧结制备高热导率氮化硅陶瓷材料的方法。
一方面，本发明提供了一种制备致密氮化硅陶瓷的方法，包括：
以总配料质量100％计，将氮化硅粉体95～70％、烧结助剂5～30％均匀混合，得到混合粉体，所述烧结助剂(化学式为(MgO)x(TiO2)y)为MgTiO3、Mg2TiO4和MgTi2O5中的一种；将所得的混合粉体成型，得到陶瓷素坯；
将所得的陶瓷素坯置于烧结炉中在1600～1800℃的温度条件下常压烧结，得到致密氮化硅陶瓷。
本发明提供的烧结助剂具有较低的熔点，能够实现低温烧结，得到致密氮化硅陶瓷。其中在1600～1800℃的温度条件下，烧结助剂(例如MgTiO3、Mg2TiO4或MgTi2O5等)处于熔融状态，此时烧结助剂中熔融状态的TiO2能够与氮化硅以及氮化硅表面的SiO2反应生成TiN，该相具有良好的力学性能，包括高硬度以及高温稳定性等，能够有效地改善氮化硅陶瓷的力学性能，同时相比于采用TiO2和MgO的混合物作为烧结助剂，该添加剂有利于获得更加均匀的显微结构，使得TiN弥散分布在氮化硅基体中，从而进一步提高了材料的力学性能。因此，本发明能够得到致密、具有一定热导率水平，且力学性能优异的氮化硅陶瓷。
较佳地，所述氮化硅粉体的粒径范围为0.5～3μm。
较佳地，所述烧结助剂的纯度为99％以上，平均粒径小于5μm。
较佳地，所述的混合方式为湿法球磨，混合后经干燥、过筛得到混合粉体。优选地，所述干燥的方式为真空干燥或旋转蒸发干燥。优选地，过筛的筛网孔径范围为100～300目。
较佳地，所述成型的方式为干压成型和/或冷等静压成型或流延成型，所述干压成型和/或冷等静压成型的压力范围在30～300MPa。
较佳地，所述常压烧结的升温速率范围为1～30℃/分钟，降温速率范围为1～30℃/分钟或者随炉降温。
较佳地，所述常压烧结的时间为0.5～14小时。优选地所述常压烧结分为两个阶段，第一阶段和第二阶段的烧结温度不同，第一阶段保温时间为0.5～6小时，第二阶段保温时间不超过8小时。
较佳地，所述常压烧结的气氛为保护气氛，优选为氩气、氮气、氦气中的至少一种。
另一方面，本发明还提供了一种根据上述的方法制备的致密氮化硅陶瓷。
本发明工艺简单稳定，条件易于控制，通过引入适量的单一烧结助剂，采用常压液相烧结技术，即可得到以β-Si3N4为主相，TiN为第二相，力学性能优异，具有一定热导率水平的致密氮化硅陶瓷。
附图说明
图1为实施例1所得到氮化硅陶瓷的SEM图谱；
图2a为实施例1所得氮化硅陶瓷的压痕图；
图2b为对比例1所得氮化硅陶瓷的压痕图；
图3为实施例1所得氮化硅陶瓷的XRD图。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明通过添加以MgTiO3、Mg2TiO4或MgTi2O5为烧结助剂，并在高温阶段反应生成TiN相，该高强相能够显著改善氮化硅陶瓷的力学性能，并通过调整烧结助剂含量以及烧结温度范围得到致密氮化硅陶瓷材料。
以下示例性地说明本发明提供的常压烧结制备致密氮化硅陶瓷的方法。
混料。具体来说，将氮化硅粉体和烧结助剂混合作为原料，混合后得到混合粉体。其中，氮化硅粉体的质量百分比可为95～70wt％，烧结助剂的质量百分比为5～30wt％。所述的烧结助剂是MgTiO3、Mg2TiO4和MgTi2O5三者中的任意一种。作为一个示例，以总配料质量100％计，95～70wt％的氮化硅粉体，5～30wt％的烧结助剂作为原料，均匀混合并再经过干燥和过筛。其中所使用的氮化硅粉体粒径范围可在0.5～3μm，这样可以具有较高的烧结活性。氮化硅粉体的氧含量可为1.08wt％，α相含量可大于95％。烧结助剂粒径可小于5μm，这样可以更均匀的分散在陶瓷颗粒周围。烧结助剂的纯度优选为99％以上。所述混合方式为可采用湿法球磨1～24小时，得到陶瓷浆料，然后采用真空干燥或者旋转蒸发将所得的浆料干燥得到混合粉体。干燥后的混合粉体经过过筛，得到混合陶瓷粉体，其中筛网的孔径范围为100～300目。
成型。将所得的陶瓷混合粉体置于模具中施压成型，得到陶瓷素坯。施压成型的方式可以是干压成型或/和冷等静压成型或流延成型，优选为先干压成型后冷等静压成型。所述干压成型或/和冷等静压成型压力范围在30～300MPa。
烧结。将所得的陶瓷素坯置于烧结炉(例如，高温碳管炉)中常压烧结得到致密氮化硅陶瓷。上述烧结助剂具有较低的熔点，因此能够实现常压低温烧结，例如烧结温度范围可为1600～1800℃。保温时间可为0.5～14小时(优选0.5～6小时)。烧结的升温速率可为1～30℃/分钟。烧结后的降温速率可为1～30℃/分钟或随炉降温。所述常压烧结的气氛可为保护气氛，例如为氩气、氮气、氦气中的至少一种。在一个示例中，常压烧结还可进行两阶段烧结，即在第一温度保温第一时间段，然后在第二温度保温第二时间段。第一温度和第二温度不同，优选为第一温度比第二温度高，例如高20～200℃。第一时间段可为0.5～6小时。第二时间段可为0～8小时，优选为4～8小时。通过进行两阶段烧结，可以有效提高材料的热导率性能。
作为一个示例，本发明提供的常压液相烧结制备致密氮化硅陶瓷材料的方法，包括以下步骤：
(1)混料：将氮化硅粉体与烧结助剂按照质量比(95～70)wt％：(5～30)wt％在溶剂中分散均匀，球磨1～24小时后得到陶瓷浆料并烘干；
(2)成型：将步骤(1)中得到的混合粉体置于模具中干压成型；
(3)烧结：将步骤(2)中得到的陶瓷素坯置于碳管炉中，采用氩气、氮气、氦气中的一种气体作为保护气进行烧结，升温速率1～30℃/分钟，烧结温度范围为1600～1800℃，保温时间为0.5～6小时即可获得致密氮化硅陶瓷材料。
本发明采用(MgO)x(TiO2)y作为单一烧结助剂，通过常压液相烧结并经过热处理后得到力学性能优异，热导率可达62W/(m·K)的氮化硅陶瓷。
本发明所得的氮化硅陶瓷非常致密，其相对密度可为96％以上，例如可达99.2％，并且具有高热导率，其热导率可为58W/(m·K)以上，例如可达62W/(m·K)。同时，该氮化硅陶瓷具有优异的力学性能，其断裂韧性可为4.79MPa·m1/2以上，例如可达5.43MPa·m1/2，、其维氏硬度可为15.36GPa以上，例如可达15.87GPa。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
测试方法：
密度：采用排水法，利用阿基米德原理计算；
热导率：采用激光脉冲仪(LFA427Nanoflash,NETZSCH Instruments Co.Ltd.,Selb,Germany)测试；
维氏硬度：使用维氏硬度仪Willson-wolpert 2100B(Instron，USA)，根据压痕法测量抛光后试样表面压痕大小计算；
断裂韧性：使用维氏硬度仪，根据压痕法测量裂纹的扩展长度计算。
以下各实施例中，氮化硅粉体购自UBE Industries Ltd,Yamagu-chi,Japan，型号为0.5μm。MgTiO3或Mg2TiO4或MgTi2O5购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度为99.9％。
实施例1：
将18.4g氮化硅粉体以及1.6g MgTiO3粉体作为原料，无水乙醇为溶剂，置于球磨罐中球磨4h，然后将干燥过筛后的混合料置于模具中，30MPa干压成型，将所得素坯进行冷等静压，压力为200MPa，将最终获得的陶瓷素坯置于碳管炉中，采用氮气为保护气氛，常压液相烧结过程为在10℃/min升温速率条件下，升温至1780℃，保温1h，之后随炉降温。再经1600℃保温6小时，得到氮化硅陶瓷。所得氮化硅陶瓷的材料密度，相对密度，热导率，断裂韧性和维氏硬度分别为3.213g·cm-3，99.0％，60.8W/(m·K)，4.93MPa·m1/2和15.87GPa。图1为获得样品的SEM图，从图1可以看出材料具有明显的长柱状晶粒。同时由图3的XRD数据可以看出，所得样品主相为β-Si3N4，第二相为TiN。
实施例2：
将18.4g氮化硅粉体以及1.6g Mg2TiO4粉体作为原料，无水乙醇为溶剂，置于球磨罐中球磨4h，然后将干燥过筛后的混合料置于模具中，30MPa干压成型，将所得素坯进行冷等静压，压力为200MPa，将最终获得的陶瓷素坯置于碳管炉中，采用氮气为保护气氛，常压液相烧结过程为在10℃/min升温速率的条件下，升温至1780℃，保温2h，之后随炉降温。再经1600℃保温6小时，得到氮化硅陶瓷。所得氮化硅陶瓷的材料密度，相对密度，热导率，断裂韧性和维氏硬度分别为3.19g·cm-3，98.9％，56.65W/(m·K)，5.09MPa·m1/2和15.06GPa。
实施例3：
将17.6g氮化硅粉体以及2.4g MgTiO3粉体作为原料，无水乙醇为溶剂，置于球磨罐中球磨4h，然后将干燥过筛后的混合料置于模具中，30MPa干压成型，将所得素坯进行冷等静压，压力为200MPa，将最终获得的陶瓷素坯置于碳管炉中，采用氮气为保护气氛，常压液相烧结过程为在10℃/min升温速率的条件下，升温至1780℃，保温1h，之后随炉降温。再经1600℃保温6小时，得到氮化硅陶瓷。所得氮化硅陶瓷的材料密度，相对密度，热导率，断裂韧性和维氏硬度分别为3.233g·cm-3，99.0％，62.15W/(m·K)，4.92MPa·m1/2和15.78GPa。
实施例4：
将14.0g氮化硅粉体以及6.0g MgTiO3粉体作为原料，无水乙醇为溶剂，置于球磨罐中球磨4h，然后将干燥过筛后的混合料置于模具中，30MPa干压成型，将所得素坯进行冷等静压，压力为200MPa，将最终获得的陶瓷素坯置于碳管炉中，采用氮气为保护气氛，常压液相烧结过程为在10℃/min升温速率的条件下，升温至1600℃，保温0.5h，之后随炉降温，得到氮化硅陶瓷。所得氮化硅陶瓷的材料密度和相对密度分别为3.254g·cm-3和96.56％。
实施例5：
将18.4g氮化硅粉体以及1.6g MgTi2O5粉体作为原料，无水乙醇为溶剂，置于球磨罐中球磨4h，然后将干燥过筛后的混合料置于模具中，30MPa干压成型，将所得素坯进行冷等静压，压力为200MPa，将最终获得的陶瓷素坯置于碳管炉中，采用氮气为保护气氛，常压液相烧结过程为在10℃/min升温速率的条件下，升温至1730℃，保温2h，之后随炉降温，再经1600℃保温6小时，得到氮化硅陶瓷。所得氮化硅陶瓷的材料密度和相对密度分别为3.205g·cm-3和99.17％。
对比例1
与实施例1基本相同，不同之处在于烧结助剂选用MgO和TiO2(摩尔比为1：1)。图2为两者压痕对比图，图2a为实施例1采用单一烧结助剂制备的样品，图2b为对比例1采用复合烧结助剂制备的样品，对比图2a，图2b可以看出，选用单一烧结助剂样品内第二相均匀分布，比较而言，选用复合烧结助剂样品内第二相具有少量偏聚。
对比例2
与实施例2基本相同，不同之处在于烧结助剂选用MgO和TiO2(摩尔比为2：1)，得到氮化硅陶瓷。经过压痕法测试，材料的断裂韧性为4.70MPa·m1/2，明显低于实施例2获得样品的断裂韧性。
表1为实施例1-5、对比例1和对比例2制备的氮化硅陶瓷的性能参数：
Figure BDA0001443586910000061
Figure BDA0001443586910000071
从上述表1可以看出，本发明采用以MgTiO3或Mg2TiO4或MgTi2O5为烧结助剂，并通过常压烧结制备的方法，获得了高热导且力学性能优异的致密氮化硅陶瓷。

Claims (8)

1.一种采用单一烧结助剂常压烧结制备高热导率氮化硅陶瓷的方法，其特征在于，由以下步骤组成：
以总配料质量100%计，将氮化硅粉体92～88%、单一烧结助剂8～12%均匀混合，得到混合粉体，所述烧结助剂为MgTiO3、Mg2TiO4和MgTi2O5中的一种；
将所得的混合粉体成型，得到陶瓷素坯；
将所得的陶瓷素坯置于烧结炉中在1600～1800℃的温度条件下常压烧结0.5～14小时，得到高热导率氮化硅陶瓷；所述常压烧结分为两个阶段，第一阶段和第二阶段的烧结温度不同，第一阶段保温时间为0.5～6小时，第二阶段保温时间不超过8小时；其中，第一阶段的温度比第二阶段的温度高20～200℃；所述常压烧结的气氛为氩气、氮气、氦气中的至少一种；
所述高热导率氮化硅陶瓷的相对密度为96%以上，热导率为58 W/(m∙K)以上，断裂韧性为4.79 MPa∙m1/2以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化硅粉体的粒径范围为0.5～3μm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述烧结助剂的纯度为99%以上，平均粒径小于5μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的混合方式为湿法球磨，混合后经干燥、过筛得到混合粉体。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述干燥的方式为真空干燥或旋转蒸发干燥；所述过筛的筛网孔径范围为100～300目。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成型的方式为干压成型和/或冷等静压成型或流延成型，所述干压成型和/或冷等静压成型的压力范围在30～300MPa。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述常压烧结的升温速率范围为1～30℃/分钟，降温速率范围为1～30℃/分钟或者随炉降温。
8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的方法制备的高热导率氮化硅陶瓷，其特征在于，所述高热导率氮化硅陶瓷的相对密度为96%以上，热导率为58 W/(m∙K)以上，断裂韧性为4.79 MPa∙m1/2以上。
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DE68918473T2 (de) * 1988-03-04 1995-02-09 Hitachi Ltd Funktionaler keramischer Formkörper und Verfahren zu seiner Herstellung.
US5827472A (en) * 1994-10-19 1998-10-27 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Process for the production of silicon nitride sintered body
US9212098B2 (en) * 2012-09-28 2015-12-15 Refractory Intellectual Property Gmbh & Co. Blend for the production of a refractory material, a refractory material, a method for the manufacture of a refractory material, and use of a substance as a sintering aid
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