CN1246253C - 氮化硅陶瓷制造方法 - Google Patents
氮化硅陶瓷制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1246253C CN1246253C CN 200410037963 CN200410037963A CN1246253C CN 1246253 C CN1246253 C CN 1246253C CN 200410037963 CN200410037963 CN 200410037963 CN 200410037963 A CN200410037963 A CN 200410037963A CN 1246253 C CN1246253 C CN 1246253C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon nitride
- sintering
- nitride ceramics
- temperature
- beta
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
Abstract
本发明公开了属无机非金属材料制备技术领域的一种氮化硅陶瓷制造方法。是以稀土化合物为烧结助剂；采用放电等离子烧结工艺在真空中烧结成氮化硅陶瓷，再在氮气气氛中在高温条件下对氮化硅陶瓷进行加热处理，制造出同时具有高热导率和高强度的氮化硅陶瓷。本方法具有升温速度快、烧结时间短、烧结组织均匀细小的特点，并且可以净化氮化硅晶粒，提高热导率。
Description
技术领域
本发明属无机非金属材料制备技术领域，具体涉及一种高热导率、高强度的氮化硅陶瓷制造方法。
背景技术
氮化硅陶瓷具有优异的力学性能，作为结构材料得到了普遍关注。一般氮化硅的抗弯强度可超过1000MPa，然而其热导率只有20-30W/mK，与氧化铝陶瓷相近，远远低于高热导率氮化铝陶瓷(180-260W/mK)。文献“J.S.Haggerty，A.Lightfoot，Opportunities for Enhancing the Thermal Conductivities of SiCand Si3N4 Ceramics through Improved Processing，Ceram.Eng.Sci.Proc.，1995，16(4)：p475-487.”的计算表明氮化硅的本征热导率为320W/mK，与氮化铝的本征热导率(320W/mK)相同，而文献“N.Hirosaki，S.Ogata，C.Kocer，H.Kitagawa，and Y.Nakamura，Molecular dynamics calculation of the idealthermal conductivity of single-crystal α-and β-Si3N4，Phys.Rev.B，2002，65，134110”的计算表明氮化硅的β-Si3N4的a轴和c轴的理论热导率分别为170和450W/mK，这为研制高热导率氮化硅陶瓷提供了理论依据。
目前获取高热导率氮化硅陶瓷要靠高温长时间加热处理，例如文献“N.Hirosaki，Y.Okamoto，M.Ando，F.Munakata，Y.Akimune，ThermalConductivity of Gas-Pressure-Sintered Silicon Nitride，J.Am.Ceram.Soc.1996，79(11)：p2878-82”报道，在100MPa的氮气中2000℃烧结4小时获得了热导率为120W/mK的氮化硅陶瓷；文献“Watari K；Hirao K；Brito ME；ToriyamaM；Kanzaki S，Hot isostatic pressing to increase thermal conductivity ofSi3N4 ceramics，J.Mat.Res.1999，14(4)：p1538-1541”中报道，在原料中添加β-Si3N4种晶、并使之定向排列，经1800℃热压烧结后在2500℃热等静压处理2小时在与β-Si3N4种晶平行的方向获得了目前最高的热导率155W/mK。这些研究证明了高热导率氮化硅陶瓷的实际可行性，但是所采取的高温长时间加热处理造成陶瓷晶粒异常长大，力学性能急剧降低，无法实际应用。目前可以实际应用的高热导率氮化硅陶瓷的热导率低于60W/mK左右，强度低于700MPa。对于高热导率的产生机理，一般认为高温加热处理或添加晶种烧结后在氮化硅陶瓷中形成的粗大β-Si3N4柱状晶本身具有较高的热导率，是氮化硅陶瓷热导率升高的原因，这意味着热导率和力学性能不可兼得。这是造成高热导率氮化硅陶瓷的应用研究徘徊不前的主要原因。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种氮化硅陶瓷制造方法，其特征在于：具体工艺是：在氮化硅粉体中添加占氮化硅粉体的2-10wt％的稀土化合物Y2O3、CeO2、Yb2O3、Dy2O3或YF和占氮化硅粉体的0-6wt％低温烧结助剂MgO、MgSiN2或Li2O；经过球磨、烘干、粉碎、过筛工序，得到混合均匀的复合粉体后，将该混合粉体装填入放电等离子烧结装置的石墨模具之中，抽真空后进行放电等离子烧结，加热速度为1-10K/s，加热温度为1500-1800℃，保温时间为2-10分钟，获得致密的氮化硅陶瓷，然后，再将该陶瓷在氮气气氛加热到1500-2000℃，保温时间为30分钟至5小时进行高温加热处理，获得热导率高达58W/mK，抗弯强度高达1058MPa的氮化硅陶瓷。
本发明的有益效果是在氮化硅粉体中添加稀土化合物烧结助剂和低温烧结助剂，先采用等离子烧结工艺在真空中烧结成氮化硅陶瓷，再在高温下进行加热处理，具有升温速度快、烧结时间短、烧结组织均匀的特点，可以净化氮化硅晶粒，提高热导率。
具体实施方式
本发明是一种氮化硅陶瓷制造方法。具体工艺是：在氮化硅粉体中添加2-10wt％的稀土化合物和0-6wt％的低温烧结助剂，经过球磨、烘干、粉碎、过筛工序，得到混合均匀的复合粉体后，将该混合粉体装填入放电等离子烧结装置的石墨模具之中，抽真空后进行放电等离子烧结，加热速度为1-10K/s，加热温度为1500-1800℃，保温时间为2-10分钟，获得致密的氮化硅陶瓷；然后，再将该陶瓷在氮气气氛中加热到1500-2000℃，保温时间为30分钟至5小时进行高温加热处理，获得高热导率、高强度氮化硅陶瓷。
添加稀土化合物的目的是为了在烧结或者加热处理过程中能够和氮化硅粉体中所含有的氧元素发生反应，以净化氮化硅晶粒，提高热导率。本发明的实施例中多采用价格低廉的Y2O3稀土化合物。其它化学性能相近的稀土化合物如CeO2、Yb2O3、Dy2O3、YF等也能达到同样的目的，同样可以作为本发明的氮化硅陶瓷烧结助剂使用。添加量过少难以充分发挥其作用，添加量过多会形成过多的晶界相，影响热导率。根据氮化硅原料粉体的含氧量，可选择添加2-10wt％。
另外添加低温烧结助剂MgO的目的是为了能在烧结过程中，在低温阶段形成液体、促进烧结。其它能在低温烧结过程中和氮化硅粉体中的氧化物形成低熔点液体的化合物如MgSiN2、Li2O等也能达到同样的目的。另外，由于本发明所采用的放电等离子烧结工艺具有很高的烧结活性，不添加低温烧结助剂也能在低温进行烧结，该第二烧结助剂亦可省略不用。
近年发展起来的放电等离子烧结工艺具有升温速度快、烧结时间短、烧结组织均匀的特点。对于氮化硅陶瓷，还可以通过适当控制工艺参数，控制β-Si3N4柱状晶的形态，优化组织，提高氮化硅陶瓷的断裂韧性。申请人的研究发现，通过控制烧结过程中的加热速度、烧结温度和保温时间，能够获得晶粒细小、组织致密的氮化硅陶瓷。加热速度为1-10K/s，加热温度为1500-1800℃，保温时间为2-10分钟可以得到良好的烧结体。
采用放电等离子烧结工艺虽然可以提供晶粒细小、组织致密的陶瓷，但并不能获得高热导率、高强度氮化硅陶瓷。经过深入的研究，申请人发现，对放电等离子烧结获得的氮化硅陶瓷进行高温加热处理，能够同时提高热导率和力学性能，获得所需的高热导率、高强度氮化硅陶瓷。加热温度过低，加热时间过短，起不到所需的效果，而过高的加热温度和过长的加热时间将导致制造成本急剧增加。本发明实施例所选成分的合适的加热温度为1700℃-2000℃，合适的加热时间为30分到5小时。
氮化硅陶瓷的热导率(k)是采用脉冲激光法测定试样的热扩散率，用阿基米德排水法测定试样的密度，然后，用下面所列公式计算求得的。
k＝α·ρ·Cp
其中α是试样的热扩散率，ρ是试样的密度，Cp是等压热容(0.7J/K·g)。
试样的抗弯强度是采用3点弯曲法测量的。试样的维氏硬度测量荷重为10Kg，加压时间为15秒。
下面再举实例对本发明予以进一步说明。
实施例1
在氮化硅粉体中添加5wt％的Y2O3和3wt％的MgO作烧结助剂，添加酒精球磨混合24小时后，经烘干、研磨后过80目筛，获得混合均匀的复合粉料。
取一定量的粉料放入圆环状的石墨模具中，模具外包裹上隔热碳毡，装入放电等离子烧结装置中(SPS-1050，SUMITOMO COAL MINING CO.LTD.JAPAN)，两端用电极固定好。抽真空至6Pa后通电加热，以100K/min的升温速度升至1500℃进行放电等离子烧结，烧结过程中通过调节电极升降保持压力为25MPa。然后，将烧结得到的氮化硅陶瓷在氮气气氛中加热到1900℃保温一小时进行加热处理。
所得的氮化硅陶瓷的热导率为58W/mK，抗弯强度为1058MPa，维氏硬度为16.7GPa。
实施例2
烧结和加热处理工艺与实施例1基本相同，只是加热处理温度为1800℃。这样得到的氮化硅陶瓷的热导率为55W/mK，抗弯强度为813MPa，维氏硬度为15.9GPa。
实施例3
烧结和加热处理工艺与实施例1基本相同，只是加热处理温度为1700℃。这样得到的氮化硅陶瓷的热导率为42W/mK，抗弯强度为892MPa，维氏硬度为16.4GPa。
比较例1烧结工艺与实施例1相同，但不进行加热处理。这样得到的氮化硅陶瓷的热导率为22W/mK，抗弯强度为344MPa，维氏硬度为14.6GPa。
比较例2烧结和加热处理工艺与实施例1基本相同，只是加热处理温度为1600℃。这样得到的氮化硅陶瓷的热导率为32W/mK，抗弯强度为788MPa，维氏硬度为15.9GPa。
Claims (1)
1.一种氮化硅陶瓷制造方法，其特征在于，具体工艺是：在氮化硅粉体中添加占氮化硅粉体的2-10wt％的稀土化合物Y2O3、CeO2、Yb2O3、Dy2O3或YF和占氮化硅粉体的0-6wt％低温烧结助剂MgO、MgSiN2或Li2O；经过球磨、烘干、粉碎、过筛工序，得到混合均匀的复合粉体后，将该混合粉体装填入放电等离子烧结装置的石墨模具之中，抽真空后进行放电等离子烧结，加热速度为1-10K/s，加热温度为1500-1800℃，保温时间为2-10分钟，获得致密的氮化硅陶瓷，然后，再将该陶瓷在氮气气氛加热到1500-2000℃，保温时间为30分钟至5小时进行高温加热处理，获得热导率高达58W/mK，抗弯强度高达1058MPa的氮化硅陶瓷。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200410037963 CN1246253C (zh) | 2004-05-17 | 2004-05-17 | 氮化硅陶瓷制造方法 |
| JP2005143490A JP4955936B2 (ja) | 2004-05-17 | 2005-05-17 | 高熱伝導率・高強度窒化ケイ素セラミックス及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200410037963 CN1246253C (zh) | 2004-05-17 | 2004-05-17 | 氮化硅陶瓷制造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1597614A CN1597614A (zh) | 2005-03-23 |
| CN1246253C true CN1246253C (zh) | 2006-03-22 |
Family
ID=34664427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 200410037963 Expired - Fee Related CN1246253C (zh) | 2004-05-17 | 2004-05-17 | 氮化硅陶瓷制造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4955936B2 (zh) |
| CN (1) | CN1246253C (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108455990A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-08-28 | 南京理工大学 | 一种氮化硅基复合陶瓷材料及其sps制备工艺 |
Families Citing this family (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100429176C (zh) * | 2005-12-02 | 2008-10-29 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种利用原位反应制备纳米复相陶瓷材料的方法 |
| CN100355701C (zh) * | 2006-02-24 | 2007-12-19 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种高热导氮化硅陶瓷的制备方法 |
| CN100432017C (zh) * | 2006-07-28 | 2008-11-12 | 北京工业大学 | 快速制备高强度氮化硅-氮化硼可加工陶瓷的方法 |
| EP2323959A1 (en) * | 2008-08-29 | 2011-05-25 | Aktiebolaget SKF | Large ceramic component and method of manufacture |
| WO2010022789A1 (en) * | 2008-08-29 | 2010-03-04 | Ab Skf | Method for manufacturing ceramic components |
| JP5224293B2 (ja) * | 2009-07-15 | 2013-07-03 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 反応焼結基窒化ケイ素セラミックス及びその製造方法 |
| CN101665363B (zh) * | 2009-09-25 | 2013-04-17 | 长沙隆泰微波热工有限公司 | 一种氮化硅烧结体添加剂 |
| CN102276260B (zh) * | 2011-06-09 | 2013-05-08 | 中国科学院唐山高新技术研究与转化中心 | 常压低温烧结β-氮化硅陶瓷的方法 |
| CN103224405B (zh) * | 2012-11-08 | 2014-12-24 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种制备氮化硅泡沫陶瓷的方法 |
| CN104370555B (zh) * | 2014-10-27 | 2016-03-23 | 合肥市东庐机械制造有限公司 | 一种氮化硅基陶瓷刀具材料及其制备方法 |
| CN104446498B (zh) * | 2014-11-19 | 2017-04-12 | 浙江工业大学 | 一种透明氮化铝陶瓷的制造方法 |
| KR101794410B1 (ko) * | 2015-08-17 | 2017-11-07 | 한국과학기술원 | 고 열전도도 질화규소 소결체 및 이의 제조 방법 |
| CN106631046A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-05-10 | 莱鼎电子材料科技有限公司 | 一种用于生产氮化铝陶瓷基片的复合助烧剂 |
| CN106747474B (zh) * | 2017-02-28 | 2020-05-08 | 安徽拓吉泰新型陶瓷科技有限公司 | 高热导率氮化硅陶瓷的制备方法 |
| CN106866154B (zh) * | 2017-02-28 | 2020-06-23 | 安徽拓吉泰新型陶瓷科技有限公司 | 氮化硅陶瓷的制备方法 |
| CN108503370A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-09-07 | 南京理工大学 | 一种单相氮化硅陶瓷及其sps制备工艺 |
| CN108395257B (zh) * | 2018-05-18 | 2021-04-02 | 哈尔滨工业大学 | 一种氮化硅基复合材料及其制备方法 |
| CN109160816A (zh) * | 2018-08-27 | 2019-01-08 | 广东工业大学 | 一种对称且连续变化的表硬心韧氮化硅梯度陶瓷及其制备方法和应用 |
| CN109369193A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-02-22 | 广东工业大学 | 一种具有高硬、高韧性能的氮化硅陶瓷及其制备方法和应用 |
| CN109761620A (zh) * | 2019-03-05 | 2019-05-17 | 武汉理工大学 | 一种双加热模式放电等离子烧结制备致密氮化硅的方法 |
| CN110204343A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-09-06 | 武汉理工大学 | 一种高强度氮化硅陶瓷的低温制备方法 |
| CN110395989B (zh) * | 2019-07-25 | 2022-04-05 | 国网河南省电力公司方城县供电公司 | 一种氮化硅电路基板材料及其制备方法 |
| CN111196730B (zh) * | 2019-11-20 | 2022-06-14 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种高热导率氮化硅陶瓷材料及其制备方法 |
| CN111196728B (zh) * | 2019-11-20 | 2022-07-08 | 江西中科上宇科技有限公司 | 一种高强度、高韧性、高热导率氮化硅陶瓷材料及其制备方法 |
| CN111302809B (zh) * | 2019-11-20 | 2022-06-14 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种高热导率、高强度氮化硅陶瓷材料及其制备方法 |
| CN110818428B (zh) * | 2019-12-03 | 2020-12-04 | 清华大学 | 一种共晶增强增韧氮化硅陶瓷的制备方法 |
| WO2021117829A1 (ja) * | 2019-12-11 | 2021-06-17 | 宇部興産株式会社 | 板状の窒化ケイ素質焼結体およびその製造方法 |
| CN112159237B (zh) * | 2020-09-28 | 2021-10-01 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种高导热氮化硅陶瓷材料及其制备方法 |
| CN112811922B (zh) * | 2021-01-20 | 2021-11-02 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种覆铜板的氮化硅陶瓷基片及其制备方法 |
| CN112830788B (zh) * | 2021-01-20 | 2021-11-02 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种氮化硅陶瓷材料及其制备方法 |
| CN114478022B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-01-03 | 南通威斯派尔半导体技术有限公司 | 一种高可靠性氮化铝覆铜陶瓷基板及其制备方法 |
| CN116425555A (zh) * | 2023-02-15 | 2023-07-14 | 衡阳凯新特种材料科技有限公司 | 一种氮化硅陶瓷刀具及制备方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3617076B2 (ja) * | 1993-06-30 | 2005-02-02 | 住友電気工業株式会社 | 窒化ケイ素系焼結体及びその製造方法 |
| JPH0930867A (ja) * | 1995-05-12 | 1997-02-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ケイ素系焼結体の製造方法 |
| JPH10120467A (ja) * | 1996-10-22 | 1998-05-12 | Mamoru Omori | 高靱性窒化けい素複合材料 |
-
2004
- 2004-05-17 CN CN 200410037963 patent/CN1246253C/zh not_active Expired - Fee Related
-
2005
- 2005-05-17 JP JP2005143490A patent/JP4955936B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108455990A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-08-28 | 南京理工大学 | 一种氮化硅基复合陶瓷材料及其sps制备工艺 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2005330178A (ja) | 2005-12-02 |
| CN1597614A (zh) | 2005-03-23 |
| JP4955936B2 (ja) | 2012-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1246253C (zh) | 氮化硅陶瓷制造方法 | |
| Kim et al. | Effect of initial α‐phase content on microstructure and mechanical properties of sintered silicon carbide | |
| Kim et al. | Microstructure control of in‐situ‐toughened α‐SiAlON Ceramics | |
| JPH0930866A (ja) | 高熱伝導率窒化ケイ素質焼結体およびその製造方法ならびに窒化ケイ素質焼結体製絶縁基板 | |
| CN106866154A (zh) | 氮化硅陶瓷的制备方法 | |
| Kim et al. | Heat‐resistant silicon carbide with aluminum nitride and erbium oxide | |
| CN111410536A (zh) | 一种常压烧结制备致密(HfZrTaNbTi)C高熵陶瓷烧结体的方法 | |
| EP2636659B1 (en) | High rigidity ceramic material and method for producing same | |
| Zhou et al. | Tailoring the mechanical properties of silicon carbide ceramics by modification of the intergranular phase chemistry and microstructure | |
| CN112851365A (zh) | 一种氮化硅基复相导电陶瓷的制备方法 | |
| CN111908923A (zh) | 一种高硬度氮化硅陶瓷及其制备方法 | |
| CN110156476A (zh) | 一种高硬高韧氮化硅基陶瓷及其制备方法和应用 | |
| Baharvandi et al. | Processing and mechanical properties of boron carbide–titanium diboride ceramic matrix composites | |
| CN106747474B (zh) | 高热导率氮化硅陶瓷的制备方法 | |
| Ye et al. | Synthesis of silicon nitride-barium aluminosilicate self-reinforced ceramic composite by a two-step pressureless sintering | |
| Huang et al. | Sintering behaviour and properties of SiCAION ceramics | |
| Shen et al. | Ytterbium-stabilized-sialon ceramics | |
| Strecker et al. | Influence of microstructural variation on fracture toughness of LPS-SiC ceramics | |
| Lee et al. | Effect of raw-Si particle size on the properties of sintered reaction-bonded silicon nitride | |
| Zenotchkine et al. | Effect of Seeding on the Microstructure and Mechanical Properties of α‐SiAlON: I, Y‐SiAlON | |
| Ye et al. | Effect of the Amount of Additives and Post‐Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Yttrium–α‐Sialon Ceramics | |
| CN100424039C (zh) | 一种原位反应热压合成TiB2－NbC－SiC高温陶瓷复合材料的制备方法 | |
| Zhang et al. | Control of grain morphology in Ca-α sialon ceramics by changing the heating rate | |
| Kozekanan et al. | Thermodynamic and phase analysis of SiC-nano/microB4C-C composites produced by pressureless sintering method | |
| CN100400468C (zh) | α-塞隆复合陶瓷材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| 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: 20060322 Termination date: 20180517 |