专利名称：透红外α－sialon陶瓷材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于透红外线陶瓷材料技术领域，特别涉及一种透红外α-sialon材料及其制备工艺。
背景技术：
sialon(塞隆)自发现以来一直被当作使用温度可达1500℃的高温结构材料而获得持续的经费支持。其中自韧化α-sialon陶瓷具有易致密、化学稳定性好、耐磨、抗氧化等特点，兼有优异的常温和高温力学性能，在航空、航天领域有广泛的应用前景。
研究已发现sialon陶瓷具有优良的光学性能[J Mater Res 1996 11(11)2790～2794；J Mater Sci Lett 1982 1 25～26]，0.5～1.0mm厚度的致密试样能够清晰地将置于下面的文字反映上来；Sialon陶瓷添加不同的稀土元素呈现出五彩缤纷的颜色；当受X射线或紫外线照射时，有荧光、闪烁效果。这些现象表明α-sialon陶瓷在光学领域有很大的应用潜力。与现有的光学材料相比，α-sialon还具有(1)更好的室温和高温力学性能，硬度高；(2)抗磨擦磨损能力优越；(3)耐热、抗热震；(4)具有更好的抗氧化性；(5)具有更宽的透光范围(及丰富的颜色)等特征，因此它不但能在常温下使用，更能用作高温、极端条件下的红外窗口、透镜材料，以及其他用途的光功能材料。与BAS-Si3N4复合材料[US6184164-B1；US5538925-A；US7982535-N；WO200064835-A]类比，可预见其在高超音速导弹天线罩、微波及红外探测器窗口等方面有潜在的应用价值。
国际范围内关于α-sialon透光性能的公开报道非常少。Mandal等[J EuroCeram Soc 1999 19 2949～2957]制备了具有一定透光能力的Nd2O3和Yb2O3稳定的α-sialon陶瓷，但未对透光率进行定量研究。Jones等[J Am Ceram Soc 2003 86(3)520～522；J Am Ceram So.200487(4)714～716]发现α/β-sialon陶瓷最高有30％透光率；采用热压烧结方法制备的全致密无晶界相均匀组织Lu-α-sialon陶瓷材料，对于600nm的可见光透过率大约70％。国内上海硅酸盐研究所的苏新禄博士[J Am Ceram Soc 2004 87 730～732；Mater Letters 2004 58 1985～1988]研究了热压和等离子烧结Y、Eu、Dy、Yb等α-sialon陶瓷的透光性能，最好的Dy-α-sialon陶瓷在红外波段有65％的透光率。根据光学原理，晶间相是影响多晶陶瓷透光性能的重要因素。
发明内容
为了提高α-sialon陶瓷的透光性能，降低晶间相对多晶陶瓷透光性能的影响，本发明提供一种高硬度、抗磨、耐高温的透红外α-sialon陶瓷材料及其制备方法。
本发明的透红外α-sialon陶瓷材料的分子式为Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n，式中m＝1，0.5＜n＜2，Re为稀土元素，其制备方法为a、配料采用Si3N4、AlN、Al2O3、Re2O3粉末为原料，按分子式为Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n配料；b、烧结采用热压烧结工艺制备透光α-sialon材料，升温前炉腔抽真空，充入纯度大于99.9％的N2到一个大气压，控制升温速度为5～50℃/min、烧结温度为1800～1900℃、轴向压力为20～40MPa、烧结时间为30～90min；c、氮化对材料进行高温氮化处理，处理工艺为2.0～4.0MPa、N2气氛中1800～1900℃保温，氮化结束后在1200℃以上温度区间控制降温。
本发明将α-sialon成分调节到α-β相界，最大限度地降低了晶间相含量，然后通过添加少量的稀土氧化物促进致密化，实现了材料致密及晶间相含量的控制，采用热压烧结工艺制备了透光的α-sialon陶瓷。
本发明的有益效果是(1)调节成分到α-β相边界，得到了物相单一的α-sialon陶瓷，XRD物相分析结果如图1-3所示；(2)通过添加超量2wt％的Re2O3及采用热压烧结工艺等手段实现了成分为Re1/3Si10Al2ON15的α-sialon陶瓷材料的全致密；(3)通过后继氮化处理促使晶间杂质进一步地扩散挥发，降低了影响透光率的晶间相含量，如图8之Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料的TEM组织所示；(4)低成本合成了满足飞航导弹制导窗口使用条件的α-sialon陶瓷。采用该方法制备的厚度为1.0mm的α-sialon材料在200-3000nm波长光线的透光率曲线及Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料透过可见光的实物照片见图4-7；(5)是一种高硬度、耐划擦、耐高温的光学材料，基本力学性能如附表1所示。
表1 透光Re1/3Si10Al2ON15-2wt％Re2O3-α-sialon的力学性能
图1为Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3材料的XRD图谱，图2为Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料的XRD图谱，图3为Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料的XRD图谱，图4为Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3材料对200-3000nm波长光线的透光率，图5为Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料对200-3000nm波长光线的透光率，图6为Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料对200-3000nm波长光线的透光率，图7厚度为1.0mm的Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料透过可见光的实物照片，图8为Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料的TEM组织照片。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式的透红外α-sialon陶瓷材料的分子式为Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n，式中m＝1，0.5＜n＜2，Re为稀土元素(Y、Yb、Dy、Lu及其它α-sialon稳定剂)。
具体实施例方式
二本实施方式按照如下方法制备透红外α-sialon陶瓷材料a、按分子式Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n对α-sialon配料，采用Si3N4、AlN、Al2O3、Re2O3粉末为原料，将上述物质混合。
b、采用热压烧结工艺制备透光α-sialon材料，烧结条件为(1800-1900℃)/(20-40MPa轴向压力)/(30～90min)。升温前炉腔抽真空，充入纯度大于99.9％的N2到一个大气压，升温速度为5～50℃/min。
c、对材料进行高温氮化处理，工艺为2.0～4.0MPaN2气氛中1800-1900℃保温，保温时间(单位，min)与产品厚度(单位，mm)成正比，为产品厚度的15-30倍数，氮化结束后在1200℃以上温度区间降温，控制降温速度不小于50℃/min。
具体实施例方式
三本实施方式与具体实施方式
二不同的是，步骤a中的原料中还加入有助烧剂(Re2O3)，其加入量为Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n重量的0.1～10％。添加少量的稀土氧化物可以促进致密化，实现材料致密及晶间相含量的控制。
具体实施例方式
四本实施方式按照下述步骤制备Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3材料一、取Si3N4(规格及产地E10 grade，UBE Industries Ltd.，Tokyo，Japan)78.05克、AlN(规格及产地grade C，H.C.Starck，Berlin，Germany)13.27克、Al2O3(规格及产地grade A16SG，Alcoa，Pittsburgh，PA)0.47克、Y2O3(规格及产地gradefine，H.C.Starck，Berlin，Germany)8.21克，放入聚氯乙烯罐内，加入适量异丙醇和氮化硅陶瓷球，球磨混合12～15小时。
二、混合浆料倒入敞口容器，放入100℃烘箱干燥60分钟，20目网筛筛分、造粒。
三、采用热压烧结工艺制备透光Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3材料，工艺过程为粉末取混合粉末40克装入Φ50mm的石墨模具，入炉；炉腔抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入纯度大于99.9％的氮气到1标准大气压；烧结条件为1800℃/25MPa/60min，升温速度为20℃/min；烧结完成后停止加热，随炉冷却。
四、烧结体脱模后磨去表面污染层，放入气压炉氮化处理，具体工艺过程为气压炉抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入纯度大于99.9％的氮气到2.0MPa，1850℃保温60min，关掉加热电源，在1200℃以上保证大于50℃/min冷却速度炉冷至室温。
采用热压烧结工艺获得了致密度大于99.5％的成分为Y1/3Si10Al2ON15-2wt％Y2O3的单一相α-sialon材料，氮化处理后重量减轻0.2％，致密度不降低，物相构成不发生变化。
在200-3000nm测试范围内，随着波长的增加，厚度为1.0mm的材料透光率呈不断增大的趋势，当波长达到3000nm时，样品的透过率达到52％。
具体实施例方式
五本实施方式按照下述步骤制备Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料一、取Si3N4(规格及产地E10 grade，UBE Industries Ltd.，Tokyo，Japan)74.93克、AlN(规格及产地grade C，H.C.Starck，Berlin，Germany)12.74克、Al2O3(规格及产地grade A16SG，Alcoa，Pittsburgh，PA)0.45克、Dy2O3(规格及产地gradefine，H.C.Starck，Berlin，Germany)11.87克，放入聚氯乙烯罐内，加入适量异丙醇和氮化硅陶瓷球，球磨混合12～15小时。
二、混合浆料倒入敞口容器，放入100℃烘箱干燥60分钟，20目网筛筛分、造粒。
三、采用热压烧结工艺制备透光Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3材料，工艺过程为粉末取混合粉末40克装入Φ50mm的石墨模具，入炉；炉腔抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入纯度大于99.9％的氮气到1标准大气压；烧结制度为1800℃/25MPa/60min，升温速度以20℃/min；烧结完成后停止加热，随炉冷却。
四、烧结体脱模后磨去表面污染层，放入气压炉氮化处理，具体工艺过程为气压炉抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入纯度大于99.9％的氮气到2.0MPa，1850℃保温60min，关掉加热电源，在1200℃以上保证大于50℃/min冷却速度炉冷至室温。
采用热压烧结工艺获得了致密度大于99.7％的成分为Dy1/3Si10Al2ON15-2wt％Dy2O3的单一相α-sialon材料，氮化处理后重量减轻0.2％，致密度不降低，物相构成不发生变化。
在200-3000nm测试范围内，随着波长的增加，厚度为1.0mm的材料透光率呈不断增大的趋势，在1900-2500nm波段样品的透过率达到50％。
具体实施例方式
六本实施方式按照下述步骤制备Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料一、取Si3N4(规格及产地E10 grade，UBE Industries Ltd.，Tokyo，Japan)74.51克、AlN(规格及产地grade C，H.C.Starck，Berlin，Germany)12.67克、Al2O3(规格及产地grade A16SG，Alcoa，Pittsburgh，PA)0.45克、Yb2O3(规格及产地gradefine，H.C.Starck，Berlin，Germany)12.37克，放入聚氯乙烯罐内，加入适量异丙醇和氮化硅陶瓷球，球磨混合12～15小时。
二、混合浆料倒入敞口容器，放入100℃烘箱干燥60分钟，20目网筛筛分、造粒。
三、采用热压烧结工艺制备透光Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3材料，工艺过程为粉末取混合粉末40克装入Φ50的石磨模具，入炉；炉腔抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入纯度大于99.9％的氮气到1标准大气压；烧结条件为1800℃/25MPa/60min，升温速度为20℃/min；烧结完成后停止加热，随炉冷却。
四、烧结体脱模后磨去表面污染层，放入气压炉氮化处理，具体工艺过程为气压炉抽真空到小于0.1×10-3Pa，充入纯度大于99.9％的氮气到2.0MPa，1850℃保温60min，关掉加热电源，在1200℃以上保证大于50℃/min冷却速度炉冷至室温。
采用热压烧结工艺获得了致密度大于99.6％的成分为Yb1/3Si10Al2ON15-2wt％Yb2O3的单一相α-sialon材料，氮化处理后重量减轻0.2％，致密度不降低，物相构成不发生变化。
在200-3000nm测试范围内，随着波长的增加，厚度为1.0mm的材料透光率呈不断增大的趋势，波长大于1100nm的红外光透过率数值一直在42％以上，2000-3000nm波段范围内，透过率大于60％。
权利要求
1.一种透红外α-sialon陶瓷材料，其特征在于所述α-sialon陶瓷材料的分子式为Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n，式中m＝1，0.5＜n＜2，Re为稀土元素。
2.根据权利要求1所述的透红外α-sialon陶瓷材料，其特征在于所述α-sialon陶瓷材料的分子式为Y1/3Si10Al2ON15。
3.根据权利要求1所述的透红外α-sialon陶瓷材料，其特征在于所述α-sialon陶瓷材料的分子式为Dy1/3Si10Al2ON15。
4.一种权利要求1所述透红外α-sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述方法为a、配料采用Si3N4、AlN、Al2O3、Re2O3粉末为原料，按分子式为Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n配料；b、烧结采用热压烧结工艺制备透光α-sialon材料，升温前炉腔抽真空，充入纯度大于99.9％的N2到一个大气压，控制升温速度为5～50℃/min、烧结温度为1800～1900℃、轴向压力为20～40MPa、烧结时间为30～90min；c、氮化对材料进行高温氮化处理，处理工艺为2.0～4.0MPa、N2气氛中1800～1900℃保温，氮化结束后在1200℃以上温度区间控制降温。
5.根据权利要求4所述的透红外α-sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于降温速度不小于50℃/min。
6.根据权利要求4所述的透红外α-sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤a中的原料中还加入有助烧剂，其加入量为Rem/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n重量的0.1～10％。
7.根据权利要求4所述的透红外α-sialon陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述助烧剂为Re2O3。
全文摘要
透红外α－sialon陶瓷材料及其制备方法，属于透红外线陶瓷材料技术领域。为了提高α－sialon陶瓷的透光性能，降低晶间相对多晶陶瓷透光性能的影响，本发明的α－sialon陶瓷材料的分子式为Re
文档编号C04B35/622GK1915907SQ20061001050
公开日2007年2月21日 申请日期2006年9月6日 优先权日2006年9月6日
发明者叶枫, 刘利盟 申请人:哈尔滨工业大学