专利名称：低介电常数氮化硅陶瓷材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，属于功能陶瓷技术领 域。
背景技术：
耐高温透波材料，需要低介电常数、低损耗、耐高温、抗热振以及强度好等特 点，氮化硅陶瓷不仅具有良好的高低温综合性能，还具有优秀的电气性能，是高温透波材料 的研究热点之一，已经被广泛应用在航天航空、汽车发动、机械、化工、石油等领域。但是现 有的氮化硅陶瓷密度较高，介电常数较大，国内外学者致力于通过制备多孔氮化硅陶瓷的 方式，提高氮化硅陶瓷的介电性能。多孔陶瓷是指具有一定尺寸和数量孔隙结构的新型陶瓷材料，多孔陶瓷具有均勻 分布的气孔(气孔率高达50 90%)、体密度小、比表面积大，并具有独特的物理表面特征。 申请号为02802876. 7的技术介绍一种多孔氮化硅的制备方法，金属Si粉末与烧结添加剂 混合，随后热处理，通过在1000°C或更多的温度下微波加热而进行二步热处理，然后从其表 面进行氮化反应，金属Si随后扩散到在金属Si的外壳上形成的氮化物，这样可得到具有均 勻，细闭孔的多孔氮化硅陶瓷。200710144953. 5将复合氮化硅粉和空心微珠混合，经干压成 形后冷等静压，然后将冷等静压后所得坯体在保护气氛下烧结，可制备大的闭合气孔和规 则形状气孔的陶瓷。制备介电常数小于1.3、透波性能好的氮化硅陶瓷仍然材料研究的难 点ο
发明内容
本发明的目的在于提供一种低介电常数氮化硅陶瓷材料，介电常数小，透波性能好。本发明同时提供了科学合理的制备方法，简单易行。本发明所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料，配料重量百分组成为 氮化硅75 95%
氧化钇 0 10% 氧化铝 0 10% 二氧化硅1 5% ；
将配料制成料浆，以软质有机泡沫塑料为载体，经浸渍料浆、挤压制成坯体后烧结制 成，软质有机泡沫塑料的孔径为60 120PPI。氮化硅是一种典型的共价键稳定化合物扩散系数低，难以用常规烧结方法使其致 密化，本发明利用氧化铝和氧化钇等烧结助剂，在氮气气氛下利用无压烧结或气压烧结的 方式制作氮化硅泡沫陶瓷。本发明的制备方法科学合理，简单易行，其中 排塑在氧化气氛下进行，温度制度为室温至 500°C，10 60°C /h ； 500 800°C，80 200 °C /h ； 800 至 900°C，保温 1 2h。烧结在氮气气氛下进行，烧结温度1630 1750°C，保温2 4h。成型后坯体最好经干燥后烧结，烘干温度100 120°C。料浆由高分子有机物与溶剂混合配制成浓度为0. 5 4%的溶液，加入0. 5 1% 的聚甲基丙烯酸类分散剂，再向溶液中加入20 40vol% (实例以重量比计)的配料制得。其中，高分子有机物为甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚苯乙烯或聚乙烯醇。溶剂为水、无水乙醇或叔丁醇中的一种或其任意比例的混合物。软质有机泡沫塑料为以具有弹性和能恢复原来形状的可燃性开孔有机泡沫塑料， 孔径为60 120PPI，可以为软质聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料或聚乙烯泡沫塑料， 其中，软质聚氨酯泡沫塑料是在50 60°C温度的pH值为9 11的碱溶液中浸泡约20 30min，用蒸馏水漂洗去除碱溶液后自然干燥制得。本发明低介电常数氮化硅陶瓷材料密度小于0. 2g/cm3，介电常数小，小于1. 3，弯 曲强度高，大于5MPa，透波性能好，能够满足应用要求。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明。实施例1
按照88:6:4:2的重量比，将氮化硅、氧化铝、氧化钇和二氧化硅组成陶瓷原料。将陶瓷 原料、羧甲基纤维素、分散剂D305，分散剂和水按照100:0. 5:1:50的重量比混合，调节pH值 至9. 5，然后在球磨机中混合均勻，制成料浆。选用80PPI的软质聚氨酯泡沫塑料，采用辊压沾浆工艺，向泡沫塑料载体上加入 陶瓷料浆，再将载体输入辊压机内进行挤压，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷坯体。将坯体放入烘干箱内，在110°c下干燥，然后在氧化气氛下从室温以20°C /h的速 率缓慢升温至500°c排塑，使泡沫塑料完全挥发，然后以100°C /h的升温速度升温至800°C 下保温lh，使素坯具有一定强度，然后将素坯转移到真空烧结炉内，升温至1680°C保温2h， 自然冷去至室温，即可获得低介电的氮化硅质多孔陶瓷。实施例2
按照85:6:4:5的重量比，将氮化硅、氧化铝、氧化钇和二氧化硅组成陶瓷原料。将陶瓷 原料、聚乙烯醇、分散剂D305和水按照100:0.5:1:40的重量比混合，调节pH值至10，然后 在球磨机中混合均勻，制成料浆。选用100PPI的软质聚氯乙烯泡沫塑料，采用辊压沾浆工艺，向泡沫塑料载体上加 入陶瓷料浆，再将载体输入辊压机内进行挤压，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷坯体。将坯体放入烘干箱内，在110°c下干燥，然后在氧化气氛下从室温以10°C /h的速 率缓慢升温至500°c排塑，使泡沫塑料完全挥发，然后以150°C /h的升温速度升温至800°C 下保温lh，使素坯具有一定强度，然后将素坯转移到气氛压力烧结炉内，在氮气保护下升温 至1720°C保温2h，自然冷去至室温，即可获得低介电的氮化硅质多孔陶瓷。实施例3
4按照75:10:10:5的重量比，将氮化硅、氧化铝、氧化钇和二氧化硅组成陶瓷原料。将陶 瓷原料、聚苯乙烯、分散剂DA和蒸馏水按照100:1:1:60的重量比混合，调节pH值至9，然后 在球磨机中混合均勻，制成料浆。选用120PPI的软质聚乙烯泡沫塑料，采用浸浆辊压工艺，向泡沫塑料载体上加入 陶瓷料浆，再将载体输入辊压机内进行挤压，挤出过剩料浆，制成泡沫陶瓷坯体。将坯体放入烘干箱内，在110°c下干燥，然后在氧化气氛下从室温以40°C /h的速 率缓慢升温至500°c排塑，使泡沫塑料完全挥发，然后以150°C /h的升温速度升温至800°C 下保温lh，使素坯具有一定强度，然后将素坯转移到真空烧结炉内，升温至1650°C保温3h， 自然冷去至室温，即可获得低介电的氮化硅质多孔陶瓷。实施例4
按照88. 5:6:4:1. 5的重量比，将氮化硅、氧化铝、氧化钇和二氧化硅组成陶瓷原料。将 陶瓷原料、聚苯乙烯、无水乙醇按照100:0. 5: 100的重量比混合，然后在球磨机中混合均 勻，制成料浆。选用100PPI的软质聚氨酯泡沫塑料，采用辊压沾浆工艺，向泡沫塑料载体上加入 陶瓷料浆，再将载体输入辊压机内进行挤压，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷坯体。将坯体放入烘干箱内，在110°c下干燥，然后在氧化气氛下从室温以40°C /h的速 率缓慢升温至500°c排塑，使泡沫塑料完全挥发，然后以150°C /h的升温速度升温至800°C 下保温lh，使素坯具有一定强度，然后将素坯转移到真空烧结炉内，升温至1650°C保温2h， 自然冷去至室温，即可获得密度为0. 13g/cm3，介电常数为1. 15的氮化硅质多孔陶瓷。实施例5
按照90:5:4:1的重量比，将氮化硅、氧化铝、氧化钇和二氧化硅组成陶瓷原料。将陶瓷 原料、聚苯乙烯和叔丁醇按照100:2:50的重量比混合，调节pH值至9. 5，然后在球磨机中混 合均勻，制成料浆。选用60PPI的软质聚氨酯泡沫塑料，采用辊压沾浆工艺，向泡沫塑料载体上加入 陶瓷料浆，再将载体输入辊压机内进行挤压，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷坯体。将坯体放入烘干箱内，在110°c下干燥，然后在氧化气氛下从室温以30°C /h的速 率缓慢升温至500°c排塑，使泡沫塑料完全挥发，然后以100°C /h的升温速度升温至900°C 下保温lh，使素坯具有一定强度，然后将素坯转移到真空烧结炉内，升温至1660°C保温3h， 自然冷去至室温，即可获得密度为0. 20g/cm3，介电常数为1. 29的氮化硅质多孔陶瓷。实施例6
按照92:5:2:1的重量比，将氮化硅、氧化铝、氧化钇和二氧化硅组成陶瓷原料。将陶瓷 原料、聚苯乙烯、分散剂D735和水按照100:0.5:1:90的重量比混合，调节pH值至10，然后 在球磨机中混合均勻，制成料浆。选用120PPI的软质聚乙烯泡沫塑料，采用辊压沾浆工艺，向泡沫塑料载体上加入 陶瓷料浆，再将载体输入辊压机内进行挤压，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷坯体。将坯体放入烘干箱内，在110°c下干燥，然后在氧化气氛下从室温以30°C /h的速 率缓慢升温至500°c排塑，使泡沫塑料完全挥发，然后以200°C /h的升温速度升温至900°C 下保温1. 5h，使素坯具有一定强度，然后将素坯转移到真空烧结炉内，升温至1700°C保温 2h,自然冷去至室温，即可获得密度为0. 18g/cm3，介电常数为1. 25的氮化硅质多孔陶瓷。
实施例7
按照90:5:3:2的重量比，将氮化硅、氧化铝、氧化钇和二氧化硅组成陶瓷原料。将陶瓷 原料、聚乙烯醇、分散剂D305、无水乙醇和水按照100:2. 5:1:50:50的重量比混合，调节pH 值至9. 5，然后在球磨机中混合均勻，制成料浆。选用80PPI的软质聚氨酯泡沫塑料，采用辊压沾浆工艺，向泡沫塑料载体上加入 陶瓷料浆，再将载体输入辊压机内进行挤压，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷坯体。将坯体放入烘干箱内，在110°c下干燥，然后在氧化气氛下从室温以30°C /h的速 率缓慢升温至500°c排塑，使泡沫塑料完全挥发，然后以180°C /h的升温速度升温至850°C 下保温lh，使素坯具有一定强度，然后将素坯转移到真空烧结炉内，升温至1720°C保温2h， 自然冷去至室温，可获得介电常数小于1. 3的氮化硅质多孔陶瓷。
权利要求
1.一种低介电常数氮化硅陶瓷材料，其特征在于配料重量百分组成为氮化硅75 95%氧化钇 0 10%氧化铝 0 10%二氧化硅1 5% ；将配料制成料浆，以软质有机泡沫塑料为载体，经浸渍料浆、挤压制成坯体后烧结制 成，软质有机泡沫塑料的孔径为60 120PPI。
2.根据权利要求1所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于在氮气 气氛下烧结，温度1630 1750°C，保温2 4h烧结。
3.根据权利要求2所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于氧化气 氛下排塑，温度制度为室温至 500°C，10 60°C /h ；500 800°C，80 200 °C /h ；800 至 900°C，保温 1 2h。
4.根据权利要求3所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于成型后 坯体经干燥后烧结，烘干温度100 120°C。
5.根据权利要求4所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于料浆由 高分子有机物与溶剂混合配制成浓度为0. 5 4%的溶液，加入适量的聚甲基丙烯酸类分散 剂，再向溶液中加入20 40vol%的配料制得。
6.根据权利要求5所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于高分子 有机物为甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚苯乙烯或聚乙烯醇。
7.根据权利要求5所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于溶剂为 水、无水乙醇或叔丁醇中的一种或其任意比例的混合物。
8.根据权利要求7所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于软质有 机泡沫塑料为软质聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料或聚乙烯泡沫塑料。
9.根据权利要求8所述的低介电常数氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于软质聚 氨酯泡沫塑料是在50 60°C温度的pH值为9 11的碱溶液中浸泡约20 30min，用蒸 馏水漂洗去除碱溶液后自然干燥制得。
全文摘要
本发明涉及一种低介电常数氮化硅陶瓷材料，属于功能陶瓷技术领域，配料重量百分组成为氮化硅75～95%、氧化钇 0～10%、氧化铝 0～10%和二氧化硅1～5%；将配料制成料浆，以软质有机泡沫塑料为载体，经浸渍料浆、挤压制成坯体后烧结制成，软质有机泡沫塑料的孔径为60～120PPI。低介电常数氮化硅陶瓷材料，介电常数小，透波性能好；制备方法科学合理，简单易行。
文档编号C04B38/00GK102093077SQ20111000559
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者刘建, 李伶, 栾艺娜, 王洪升, 王重海, 程之强, 韦其红, 高芳 申请人:中材高新材料股份有限公司, 山东工业陶瓷研究设计院有限公司