CN109761620A

CN109761620A - 一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法

Info

Publication number: CN109761620A
Application number: CN201910163436.5A
Authority: CN
Inventors: 王玉成; 郑永光; 张金咏; 张帆; 傅正义; 王为民
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2019-05-17

Abstract

本发明公开了一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，包括如下步骤：1)按预定比例称取α‑Si₃N₄、CeO₂、Y₂O₃粉末，进行球磨混合；2)将球磨后的混合粉料进行干燥，并过筛；3)将筛选好的粉料进行预压；4)在真空或氩气保护气氛下，采用电流加热和辐射加热结合的放电等离子烧结，烧结温度为1600‑1700℃，保温0‑5min，即得到所述致密氮化硅。本发明工艺简单，烧结时间短，可大幅降低烧结温度，并且增加辐射发热体，并安装了保温层，通过调节辅加热功率和主加热功率匹配参数，提高了模具内部温度场的均匀性，从而为烧结均匀致密的大尺寸氮化硅陶瓷提供了有效的保障。

Description

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法

技术领域

本发明属于放电等离子烧结材料技术领域，具体涉及一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法。

背景技术

氮化硅陶瓷由于抗氧化，耐磨损，抗腐蚀性能好，断裂韧性高，比重小，热导率高等优点在新型陶瓷中占有重要地位，是一种理想的高速切削工具陶瓷材料。与其它陶瓷相比，氮化硅陶瓷由于其热膨胀系数小，抗热冲击性能好，断裂韧性高，比重小，热导率高，高温下的硬度及强度高，蠕变小等优点也常常作为高温结构材料，广泛应用于机械、化工、海洋工程、航空航天等重要领域。

现阶段氮化硅陶瓷的烧结主要是通过无压、热压、气压、热等静压、反应烧结等传统烧结方式为主，但因传统烧结方式能耗高、烧结时间长、效率低等弊端大大限制了Si₃N₄陶瓷的大规模生产。放电等离子烧结可在快速烧结的过程中施加一定的机械力，容易获得致密的块体材料，是一种快速、低温、节能、环保的材料制备加工新技术，具有烧结快速、烧结温度低、烧结机理特殊、操作简单方便等优点，并使得最终的产品具有组织细小均匀、能保持原材料的自然状态、致密度高等特点，但越来越多的使用者发现使用该方法制备的块体材料直径大于30mm时，样品中通常会不可避免的出现内部结构不均匀的现象。

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法。该方法可以烧结出材料内部均匀密实的氮化硅陶瓷。

实现上述目的的技术方案如下：

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，包括如下步骤：

1)按预定比例称取α-Si₃N₄、CeO₂、Y₂O₃粉末，进行球磨混合；

2)将球磨后的混合粉料进行干燥，并过筛；

3)将筛选好的粉料进行预压；

4)在真空或氩气保护气氛下，采用电流加热和辐射加热结合的放电等离子烧结，烧结温度为1600-1700℃，保温0-5min，即得到所述致密氮化硅。

上述方案中，辐射加热的功率为30-80kW·h，电流加热的功率为40-100kW·h。

上述方案中，电流加热和辐射加热结合的放电等离子烧结过程中，先开辐射加热系统，待样品加热到300-800℃时同时打开电流加热系统。

上述方案中，步骤1)中各组分以质量百分数计如下：α-Si₃N₄ 95-98％、CeO₂ 1-4％、Y₂O₃ 1-4％。

上述方案中，步骤1)中所述的球磨混合是将称取的粉料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质。

上述方案中，步骤1)中所述的球磨罐为聚四氟乙烯球磨罐，磨球选用玛瑙球，球料比为3:1。

上述方案中，步骤1)中球磨混合时间为12-24h。

上述方案中，步骤3)中将筛选好的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中，预压时间1-2min，预压在10MPa的压力下进行。

上述方案中，步骤4)样品烧结过程中施加的压力为30-50MPa。

本发明所采取的电流加热和辐射加热结合的放电等离子烧结工艺中，所使用的设备如图1所示。该设备包括样品1、烧结石墨模具2、辐射加热部件3﹑烧结炉炉体4和高温隔热体5。烧结样品1放在烧结石墨模具里面，电流通过石墨模具2或样品1内部(当样品电导率较高时，电流同时流经石墨模具和样品内部；当烧结非导电材料时，电流主要流过模具)对样品进行电流加热。辐射加热部件3为辐射加热发热体，5为高温隔热层，辐射烧结部件3对样品进行辐射加热。辐射加热发热体形态可以为圆筒形﹑方筒形﹑分散安装形等，且辐射加热发热体使用材质为石墨。隔热层材质为碳纤维毡。隔热层可以减少模具表面向外的热量耗散。本发明就是采取电流加热结合辐射加热的双加热模式快速烧结方法，其于传统的放电等离子烧结的基础上添加了一套辐射加热装置。采用电流加热和辐射加热两种加热模式同时工作的复合加热模式，它继承了放电等离子烧结的优点(升温速率快)，同时改变了烧结过程中的温度分布规律，实现了制备结构均匀的较大尺寸的密实样品，并且烧结时间短﹑节能。采用两套加热模式有明确目的：电流加热可实现快速升温，辐射加热则可实现均温，改善烧结样品及模具中的径向温度分布，特别是在样品内部的径向温度分布，获得均匀的温度场，从而为制备结构均匀的块体材料提供有效地保障。

本发明具有如下优点：

(1)升温速率较快，烧结时间缩短，提高了生产效率，易于规模生产；

(2)可以显著降低氮化硅陶瓷的烧结温度；

(3)通过调节主的电流加热功率与辅助的辐射加热功率匹配参数，可以使模具表面温度与辐射发热体之间的温差控制15％以内，保证样品内部温度的一致性，从而为制备均匀致密的大尺寸氮化硅陶瓷提供了有效的保障。

附图说明

图1为实现本发明方法的带辐射发热装置的电流烧结系统的结构示意图。

图中：1-样品，2-模具，3-辐射加热发热体，4-烧结炉炉体，5-高温隔热层。

图2为实施例1制得的氮化硅基陶瓷材料的断口表面的SEM图。

图3为实施例3制得的氮化硅基陶瓷材料的断口表面的SEM图。

图4为实施例6制得的氮化硅基陶瓷材料的断口表面的SEM图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，具体为：按质量百分数称取α-Si₃N₄ 95％、CeO₂ 1％、Y₂O₃ 4％进行配料，将配得的混合粉料以无水乙醇为介质，玛瑙球为磨球，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨24h，球料比为3:1；球磨后烘干，并过200目筛，将过筛后的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中进行预压，压力为10MPa，保压2min；将石墨模具放入双加热模式放电等离子烧结系统的腔室中，炉腔内真空度为6Pa以下；施加压力50MPa，开启烧结按钮进行加热，以辅加热功率30kW·h加热，温度达到300℃时，打开主加热系统，主加热功率为80kW·h，将试样加热至1600℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，材料的致密度为98.72％。经过扫描电子显微镜(SEM)(图2)分析，材料内部均匀密实，采用这种双加热模式放电等离子烧结方法制备出了结构均匀的密实块体材料。

实施例2

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，具体为：按质量百分数称取α-Si₃N₄ 95％、CeO₂ 4％、Y₂O₃ 1％进行配料，将配得的混合粉料以无水乙醇为介质，玛瑙球为磨球，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨24h，球料比为3:1；球磨后烘干，并过200目筛，将过筛后的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中进行预压，压力为10MPa，保压1min；将石墨模具放入双加热模式放电等离子烧结系统的腔室中，炉腔内真空度为6Pa以下；施加压力30MPa，开启烧结按钮进行加热，以辅加热功率70kW·h加热，温度达到400℃时，打开主加热系统，主加热功率为40kW·h，将试样加热至1600℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，材料的致密度为97.93％

实施例3

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，具体为：按质量百分数称取α-Si₃N₄ 95％、CeO₂ 4％、Y₂O₃ 1％进行配料，将配得的混合粉料以无水乙醇为介质，玛瑙球为磨球，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨12h，球料比为3:1；球磨后烘干，并过200目筛，将过筛后的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中进行预压，压力为10MPa，保压1分钟；将石墨模具放入双加热模式放电等离子烧结系统的腔室中，将炉腔内抽成真空状态；施加压力70MPa，开启烧结按钮进行加热，以辅加热功率70kW·h加热，温度达到600℃时，打开主加热系统，主加热功率为80kW·h，将试样加热至1700℃，保温5min，然后随炉冷却。经测试得，材料的致密度为98.32％。经过扫描电子显微镜(SEM)(图3)分析，材料内部均匀密实，助烧结剂以玻璃体形式包裹在氮化硅晶粒表面，采用这种双加热模式放电等离子烧结方法制备出了结构均匀的密实块体材料。

实施例4

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，具体为：按质量百分数称取α-Si₃N₄ 95％、CeO₂ 2％、Y₂O₃ 3％进行配料，将配得的混合粉料以无水乙醇为介质，玛瑙球为磨球，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨16h，球料比为3:1；球磨后烘干，并过200目筛，将过筛后的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中进行预压，压力为10MPa，保压1分钟；将石墨模具放入双加热模式放电等离子烧结系统的腔室中，将炉腔内抽成真空状态；施加压力50MPa，开启烧结按钮进行加热，以辅加热功率50kW·h加热，温度达到800℃时，打开主加热系统，主加热功率为60kW·h，将试样加热至1600℃，保温3min，然后随炉冷却。经测试得，材料的致密度为99.94％。

实施例5

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，具体为：按质量百分数称取α-Si₃N₄ 98％、CeO₂ 1％、Y₂O₃ 1％进行配料，将配得的混合粉料以无水乙醇为介质，玛瑙球为磨球，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨24h，球料比为3:1；球磨后烘干，并过200目筛，将过筛后的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中进行预压，压力为10MPa，保压1分钟；将石墨模具放入双加热模式放电等离子烧结系统的腔室中，将炉腔内抽成真空状态；施加压力50MPa，开启烧结按钮进行加热，以辅加热功率60kW·h加热，温度达到700℃时，打开主加热系统，主加热功率为50kW·h，将试样加热至1650℃，不进行保温，然后随炉冷却。经测试得，材料的致密度为96.50％。

实施例6

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，具体为：按质量百分数称取α-Si₃N₄ 96％、CeO₂ 2％、Y₂O₃ 2％进行配料，将配得的混合粉料以无水乙醇为介质，玛瑙球为磨球，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨18h，球料比为3:1；球磨后烘干，并过200目筛，将过筛后的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中进行预压，压力为10MPa，保压1分钟；将石墨模具放入双加热模式放电等离子烧结系统的腔室中，将炉腔内抽成真空状态；施加压力60MPa，开启烧结按钮进行加热，以辅加热功率30kW·h加热，温度达到400℃时，打开主加热系统，主加热功率为70kW·h，将试样加热至1620℃，不进行保温，然后随炉冷却。经测试得，材料的致密度为98.74％。经过扫描电子显微镜(SEM)(图4)分析，材料内部均匀密实，采用这种双加热模式放电等离子烧结方法制备出了结构均匀的密实块体材料。

实施例7

一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，具体为：按质量百分数称取α-Si₃N₄ 95％、CeO₂ 1％、Y₂O₃ 4％进行配料，将配得的混合粉料以无水乙醇为介质，玛瑙球为磨球，放入聚四氟乙烯球磨罐中球磨24h，球料比为3:1；球磨后烘干，并过200目筛，将过筛后的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中进行预压，压力为10MPa，保压1分钟；将石墨模具放入双加热模式放电等离子烧结系统的腔室中，将炉腔内抽成真空状态；施加压力40MPa，开启烧结按钮进行加热，以辅加热功率40kW·h加热，温度达到600℃时，打开主加热系统，主加热功率为70kW·h，将试样加热至1600℃，不进行保温，然后随炉冷却。经测试得，材料的致密度为97.36％。

Claims

1.一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)将球磨后的混合粉料进行干燥，并过筛；

3)将筛选好的粉料进行预压；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，辐射加热的功率为30-80kW·h，电流加热的功率为40-100kW·h。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电流加热和辐射加热结合的放电等离子烧结过程中，先开辐射加热系统，待样品加热到300-800℃时同时打开电流加热系统。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中各组分以质量百分数计如下：α-Si₃N₄ 95-98％、CeO₂ 1-4％、Y₂O₃ 1-4％。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述的球磨混合是将称取的粉料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述的球磨罐为聚四氟乙烯球磨罐，磨球选用玛瑙球，球料比为3:1。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中球磨混合时间为12-24h。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中将筛选好的粉料放在内径为50mm的圆形石墨模具中，预压时间1-2min，预压在10MPa的压力下进行。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)样品烧结过程中施加的压力为30-50MPa。