氮化硅陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及氮化硅陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 结构陶瓷以其高硬度、低密度、高强、耐腐蚀、耐高温性能好等诸多优点，被广泛研 究和应用，主要应用在高温、腐蚀、强磨损等极端环境和一些电子元器件上，例如陶瓷发动 机涡轮、铸铝坩埚、刀具、轴承球、散热基板等。但是，陶瓷材料的脆性极大的限制了其在这 些领域中的应用。近几十年的研究，通过多种方式对其增韧，例如颗粒弥散增韧、相变增韧、 晶须增韧、自增韧等，一定程度上提高了陶瓷的韧性，但是依然存在韧性不足和成本过高的 问题。在现有对氮化硅（Si3N4)陶瓷的改性方法中，通常只能单一的改善氮化硅陶瓷的某一 方面性能，如单一的改善其力学性能或热学性能或耐磨性能，无法同时提高氮化硅的综合 性能。而且这种性能的改善，是以牺牲别的性能为代价。如美国专利US8652981B2公开了 一种利用金属氧化物和复合稀土提高氮化硅陶瓷的力学性能和热学性能的方法，但其耐磨 性能并未得到改善。而美国专利US7056850公开了一种利用稀土和耐磨添加剂提高氮化硅 陶瓷的耐磨性能和抗弯强度的方法，但是该方法的代价是无法获得高的断裂韧性和高热导 率。在很多的应用中，要求氮化硅陶瓷不仅具有优异的机械性能，而且要有优异的物理、化 学和高温性能；也就是说，要有优异的综合性能，以满足苛刻的应用要求。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种同时具有高韧性、高导热性和高耐磨性的氮 化硅（Si3N4)陶瓷以及制备该种氮化硅陶瓷的方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0005] -种氮化娃陶瓷，由以下重量份额的各组分制成：α相氮化娃粉体75-98. 5份，金 属氧化物〇. 5-5份，稀土氧化物混合体1-15份，β相氮化娃晶体0-5份，耐磨添加剂0-5 份。
[0006] 优选的，所述各组分的重量份额为：α相氮化娃粉体75-98. 5份，金属氧化物 0. 5-5份，稀土氧化物混合体1-15份，β相氮化娃晶体1. 5-2. 5份，耐磨添加剂0-5份。
[0007] 所述稀土氧化物混合体为 Yb203、Lu203、Sc20 3、Y203、La203、Ce 203、Pr203、Nd20 3、Pm203、 Sm203、Eu203、Gd20 3、Tb203、Dy203、H〇 203、Er2O3 和 Tm2O3 中的至少两种。
[0008] 所述β相氮化硅晶体的直径为〇· 5-1. 5 μ m，长径比（长度/直径）为2-5 ;其晶 体形貌如图1所示。
[0009] 所述金属氧化物为MgO、A1203、CaO和SiO 2中的至少一种。
[0010] 所述耐磨添加剂为 TiN、TiC、Ti (C，N)、Ti02、TiB2、SiC、Zr02、Hf02、TaC 和 TaN 中的 至少一种。
[0011] 以上所述氮化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
[0012] Sl混料：根据以上所述的重量份额比，分别称取各组分，然后将各组分加入有机 溶剂中并混合均匀，得浆料；所述各组分的总质量与有机溶剂的质量之比为1:1-5 ;优选 的，所述有机溶剂为无水乙醇或无水丙酮。
[0013] S2干燥：将浆料干燥至浆料中有机溶剂的质量百分数等于或小于2%，得混合粉 体；
[0014] S3成型：对混合粉体依次进行干压成型和冷等静压成型，得生坯；
[0015] S4烧结：生坯在氮气中或在氢气与氮气的混合气体（氢气的质量百分数低于 10%)中或在氩气中进行烧结，烧结温度为1500-2300°c，烧结时间为30-280min，得氮化硅 陶瓷。
[0016] 所述烧结方式为无压烧结、热压烧结、气压烧结、热等静压烧结或其他可以致密氮 化硅陶瓷的烧结方法，例如场辅助烧结（如放电等离子烧结SPS)。优选的烧结方式是无压 烧结、热压烧结、气压烧结或热等静压烧结。优选的烧结温度为1700-1900°C，烧结时间为 60-120min〇
[0017] 以上所述氮化硅陶瓷用于制造金属切削刀具、散热基板、轴承球、铸铝坩埚或陶瓷 发动机涡轮。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在氮化硅中加入稀土氧化物 混合体，可有效优化微观结构，从而显著提高氮化硅陶瓷的韧性、强度和导热性；再加入β 相氮化硅晶体，增强氮化硅晶粒的双峰分布结构，进一步提高氮化硅陶瓷的韧性、强度和导 热性；再同时加入耐磨添加剂，不仅可显著提高氮化硅陶瓷的耐磨性，且不会影响氮化硅陶 瓷的韧性、强度和导热性，使氮化硅陶瓷同时具有高韧性、高强度、高热导率和高耐磨性。通 过本发明方法制备的氮化硅陶瓷的韧性可高达11. 85MPa ·m1/2,抗弯强度高达950MPa，热导 率高达75W·!!!1 ·Κ\磨损寿命超过400h，可应用于氮化硅陶瓷刀具、轴承球、散热基板/电 路板或其它耐磨耐高温的关键零部件。
【附图说明】
[0019] 图1为SEM照片显示的β -Si3N4晶体形貌图；
[0020] 图2为实施例1制备的氮化硅陶瓷经等离子蚀刻后的微观结构图。
【具体实施方式】
[0021 ] 为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作 进一步介绍和说明。
[0022] 实施例1-4的氮化硅陶瓷的制备方法如下：
[0023] (1)混料：将金属氧化物、稀土氧化物混合体和耐磨添加剂（若使用耐磨添加剂 时）加入无水乙醇中；然后超声（功率为200-1000W，频率为20-60ΚΗΖ)分散IOmin ;接着向 混合物中加入质量为金属氧化物、稀土氧化物混合体和耐磨添加剂总质量3倍的氮化硅研 磨球，球磨2h;继续向混合物中加入α相氮化硅粉体，然后超声（功率为200-1000?，频率 为20-60ΚΗΖ)分散lOmin，再球磨12h。若添加 β相氮化硅晶体，此时继续向混合物中加入 β相氮化硅晶体，继续球磨2h。使各组分充分混合均匀，得浆料。无水乙醇的质量是制备 氮化硅陶瓷的各组分总质量的1-5倍。实施例中各组分的用量如下表1所示。（在其它实 施方案中可用无水丙酮作为有机溶剂替代无水乙醇。）
[0024] (2)干燥：将浆料放入旋转蒸发仪中，并于60°C下蒸除浆料中的有机溶剂，至浆料 中有机溶剂的质量百分数等于或小于2%，得混合粉体。然后将混合粉体过60目筛并收集 粒径等于或小于60目的混合粉体。
[0025] 此外，浆料也可通过喷雾造粒塔进行离心式雾化干燥，进风温度150_160°C，出风 温度为75-80°C，至浆料中有机溶剂的质量百分数等于或小于2%。
[0026] (3)成型：将混合粉体利用钢模干压成型，压力为5_50MPa，获得相应形状的块体； 再经过冷等静压成型，压力为50-500MPa，得生坯。
[0027] (4)烧结：将生坯置于氮气中或置于氢气与氮气的混合气体（氢气的质量百分数 低于10% )中或置于氩气中进行烧结，得氮化硅陶瓷。烧结方式可以采用无压烧结、热压烧 结、气压烧结、热等静压烧结或场辅助烧结（如放电等离子烧结SPS)等任何可以致密氮化 硅陶瓷的烧结方法。各实施例的成型工序和烧结工序的参数如下表2所示。
[0028] 无压烧结工艺：烧结温度为1500-2300°C，保温时间为30-280min。
[0029] 热压烧结工艺：烧结温度为1500-2300°C，保温时间为30-280min，烧结压力为 IOMPa及以上。
[0030] 气压烧结工艺：烧结温度为1500-2300°C，保温时间为30-280min，烧结气压为 IOMPa及以下。
[0031] 热等静压烧结工艺：烧结温度为1500-230(TC，保温时间为30-280min，烧结气压 为50MPa及以上。
[0032] 表1实施例1-4中各组分的用量
[0034] (表1中β -Si3N4是直径为0· 5-1. 5 μ m，长径比为2-5的晶体。）
[0035] 表2实施例1-4中成型工序和烧结工序的工艺参数
[0036]
[0037] 实施例5
[0038] 本实施例与实施例4相比，不同之处在于：将由5. 56gYb203和5. 56gLa203组成的 稀土氧化物混合体改为11. 12g的Yb2O3。其它组分和用量，以及制备的方法完全相同。
[0039] 以上实施例1-5均采用热压烧结的方式进行烧结，在其它实施方案中还可以采用 以上所述的无压烧结、气压烧结、热等静压烧结等方式进行烧结。
[0040] 用金刚石工具分别对实施例1-5所制得的氮化硅陶瓷进行加工，用各实施例的