专利名称：多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸制备方法
多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸制备方法 技术领域
背景技术：
氮化硅具有优异的力学性能，可用来制作刀具。而可控微观结构的多孔氮 化硅陶瓷，具有轻质、大的损伤容限、高的抗热冲击性、低的介电常数和介质
损耗等性能，可用于结构-防热-透波一体化材料。通过胶态成型方法制备Si3N4
或Si3N4基陶瓷已有多年，与氧化物陶瓷如Al2Cb不同的是，Si3N4粉末表面十 分复杂，获得高体积分数的Si3N4悬浮液不太容易，生坯的密度相对较低，所 以Si3N4在烧结过程中陶瓷坯体的收縮率较大，这还会使后序加工费时，增加成本。
发明内容
本发明为了解决Si3N4在烧结过程中陶瓷坯体的收縮率较大的问题，而提
供一种多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸制备方法。
多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸制备方法按以下步骤实
现 一、按重量份数比将92 96份的氮化硅、3~6份的氧化钇和1~2份的氧化 铝混合，按凝胶注模成型方法来制备多孔氮化硅生坯；二、将步骤一制得的产 物在氩气或氮气气氛下，以10 15。C/min的升温速率升温至1350~1400°C，在 1350 1400。C温度下预烧结15 60min;三、将步骤二制得的产物放入真空腔内， 将真空腔抽至真空后把硅溶胶引入真空腔中，浸渍2 4h，取出后在55 65'C下 凝胶化15 25h，然后在115 125。C下干燥3 5h;四、重复步骤三0 2次；五、 将步骤四制得的产物在氩气或氮气气氛下，以10 15°C/min的升温速率升温至 1500~1700°C，在1500 170(TC下烧结30 60min，即得多孔氮化硅/氧氮化硅陶 瓷复合材料；其中步骤三、四中硅溶胶的固相质量百分比为5%~50%。
本发明方法制得的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的线性收縮率为 1.1%~3.9%，与现有凝胶注模成型技术相比减小了 50%~70%;本发明方法在 155(TC烧结温度下制得的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的三点弯曲强度 为90 190MPa，与现有技术相比提高了 100%~300%。
具体实施例方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方 式间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净
尺寸制备方法按以下步骤实现 一、按重量份数比将92 96份的氮化硅、3~6 份的氧化钇和1~2份的氧化铝混合，按凝胶注模成型方法来制备多孔氮化硅生 坯；二、将步骤一制得的产物在氩气或氮气气氛下，以10 15匸/min的升温速 率升温至1350-1400°C，在1350 1400。C温度下预烧结15 60min;三、将步骤 二制得的产物放入真空腔内，将真空腔抽至真空后把硅溶胶引入真空腔中，浸 渍2 4h，取出后在55 65。C下凝胶化15~25h，然后在115-125 。C下千燥3~5h; 四、重复步骤三0~2次；五、将步骤四制得的产物在氩气或氮气气氛下，以 10 15°C/min的升温速率升温至1500~1700°C ，在1500~1700°C下烧结 30 60min，即得多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料；其中步骤三、四中硅溶 胶的固相质量百分比为5%~50%。
本实施方式步骤一制备多孔氮化硅生坯按以下步骤实现 一、将氮化硅、 氧化钇和氧化铝的混合物与水配成悬浊液，悬浊液中氮化硅的体积百分比为 42%，调节pEN9，球磨20 28h，然后加热至60°C; 二、将固相含量为0.5% 的琼脂糖在92 96。C下与水配制成质量百分比为3%的琼脂糖溶液，降温到 60°C;三、将步骤二中制得的琼脂糖溶液与步骤一制得的悬浊液混合均匀，然 后倒入不锈钢模具中使其凝固成型即得多孔氮化硅生坯。
本实施方式步骤二制得产物的致密度为40%~50%。
本实施方式制得产物的线性收縮率为1.1% 3.9%;本实施方式制得产物的 三点弯曲强度为90 190MPa。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中预烧结 温度为1360~1380°C。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中预烧结 温度为135(TC。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中预烧结 温度为MO(TC。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中预烧结
温度为1370°C。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中预
烧结时间为30 50min。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中预 烧结时间为30 50min。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中预 烧结时间为30 50min。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中预 烧结时间为30 50min。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤三中浸渍时 间为2.5 3.5h。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤三中浸渍 时间为2h。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤三中浸渍 时间为4h。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤三中浸渍 时间为3h。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一、二或十不同的是步骤 三中凝胶化温度为58 63。C。其它与具体实施方式
一、二或十相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
一、二或十不同的是步骤 三中凝胶化温度为55。C。其它与具体实施方式
一、二或十相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
一、二或十不同的是步骤
三中凝胶化温度为65。C。其它与具体实施方式
一、二或十相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
一、二或十不同的是步骤
三中凝胶化温度为60。C。其它与具体实施方式
一、二或十相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
十四不同的是步骤三中凝 胶化时间为18~23h。其它与具体实施方式
十四相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
十四不同的是步骤三中凝 胶化时间为15h。其它与具体实施方式
十四相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
十四不同的是步骤三中凝 胶化时间为25h。其它与具体实施方式
十四相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
十四不同的是步骤三中 凝胶化时间为20h。其它与具体实施方式
十四相同。
具体实施方式
二十二本实施方式与具体实施方式
一、二、十或十八不同
的是步骤三中干燥温度为H8 123。C。其它与具体实施方式
一、二、十或十八相同。
具体实施方式
二十三本实施方式与具体实施方式
一、二、十或十八不同
的是步骤三中干燥温度为115。C。其它与具体实施方式
一、二、十或十八相同。
具体实施方式
二十四本实施方式与具体实施方式
一、二、十或十八不同
的是步骤三中干燥温度为125°C。其它与具体实施方式
一、二、十或十八相同。
具体实施方式
二十五本实施方式与具体实施方式
一、二、十或十八不同
的是步骤三中干燥温度为120°C。其它与具体实施方式
一、二、十或十八相同。
具体实施方式
二十六本实施方式与具体实施方式
二十二不同的是步骤三 中干燥时间为3.5 4.5h。其它与具体实施方式
二十二相同。
具体实施方式
二十七本实施方式与具体实施方式
二十二不同的是步骤三 中干燥时间为3h。其它与具体实施方式
二十二相同。
具体实施方式
二十八本实施方式与具体实施方式
二十二不同的是步骤三
中干燥时间为5h。其它与具体实施方式
二十二相同。
具体实施方式
二十九本实施方式与具体实施方式
二十二不同的是步骤三 中干燥时间为4h。其它与具体实施方式
二十二相同。
具体实施方式
三十本实施方式与具体实施方式
一、二、十、十八或二十 六不同的是步骤五中烧结温度为1550 1650°C。其它与具体实施方式
一、二、 十、十八或二十六相同。
具体实施方式
三十一本实施方式与具体实施方式
一、二、十、十八或二 十六不同的是步骤五中烧结温度为1500°C。其它与具体实施方式
一、二、十、 十八或二十六相同。
具体实施方式
三十二本实施方式与具体实施方式
一、二、十、十八或二
十六不同的是步骤五中烧结温度为1700°C。其它与具体实施方式
一、二、十、
十八或二十六相同。
具体实施方式
三十三本实施方式与具体实施方式
一、二、十、十八或二
十六不同的是步骤五中烧结温度为1600°C。其它与具体实施方式
一、二、十、
十八或二十六相同。
具体实施方式
三十四本实施方式与具体实施方式
三十不同的是步骤五中
烧结时间为40 50min。其它与具体实施方式
三十相同。
具体实施方式
三十五本实施方式与具体实施方式
三十不同的是步骤五中 烧结时间为30min。其它与具体实施方式
三十相同。
具体实施方式
三十六本实施方式与具体实施方式
三十不同的是步骤五中 烧结时间为60min。其它与具体实施方式
三十相同。
具体实施方式
三十七本实施方式与具体实施方式
三十不同的是步骤五中 烧结时间为45min。其它与具体实施方式
三十相同。
具体实施方式
三十八本实施方式多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的 近净尺寸制备方法按以下步骤实现 一、按重量份数比将92份的氮化硅、6 份的氧化钇和2份的氧化铝混合，按凝胶注模成型方法来制备多孔氮化硅生 坯；二、将步骤一制得的产物在氩气或氮气气氛下，以15'C/min的升温速率 升温至1350°C，在1350。C温度下预烧结60min;三、将步骤二制得的产物放 入真空腔内，将真空腔抽至真空后把硅溶胶引入真空腔中，浸渍3h，取出后 在6(TC下凝胶化20h，然后在12(TC下干燥4h;四、重复步骤三1次；五、将 步骤四制得的产物在氩气或氮气气氛下，以15°C/min的升温速率升温至 1550°C，在155(TC下烧结60min，即得多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料； 其中步骤三硅溶胶的固相质量百分比为45%。
本实施方式步骤二制得产物的致密度为46%。
本实施方式制得产物的线性收縮率为1.9%、显气孔率为36.2%、三点弯 曲强度为119MPa、弹性模量为58.4Gpa、 30GHz条件下的介电常数为3.98、 80(TC条件下的热膨胀系数为2.82xlO'6/K。
具体实施方式
三十九本实施方式多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的 近净尺寸制备方法按以下步骤实现 一、按重量份数比将92份的氮化硅、6 份的氧化钇和2份的氧化铝混合，按凝胶注模成型方法来制备多孔氮化硅生 坯；二、将步骤一制得的产物在氩气或氮气气氛下，以15°C/min的升温速率 升温至1400°C,在140(TC温度下预烧结15min;三、将步骤二制得的产物放入真空腔内，将真空腔抽至真空后把硅溶胶引入真空腔中，浸渍3h，取出后 在60。C下凝胶化20h，然后在120'C下干燥4h;四、重复步骤三l次；五、将 步骤四制得的产物在氩气或氮气气氛下，以15°C/min的升温速率升温至 1600°C，在1600'C下烧结30，即得多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料；其中 步骤三硅溶胶的固相质量百分比为50%。
本实施方式步骤二制得产物的致密度为46%。
本实施方式制得产物的线性收縮率为2.7%、显气孔率为34.1%、三点弯 曲强度为142MPa、弹性模量为81Gpa、30GHz条件下的介电常数为4.29、800°C 条件下的热膨胀系数为3.24x10—6/K。
具体实施方式
四十本实施方式多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近 净尺寸制备方法按以下步骤实现 一、按重量份数比将95份的氮化硅、4份 的氧化钇和1份的氧化铝混合，按凝胶注模成型方法来制备多孔氮化硅生坯； 二、将步骤一制得的产物在氩气或氮气气氛下，以15'C/min的升温速率升温 至1400。C，在1400。C温度下预烧结60min;三、将步骤二制得的产物放入真 空腔内，将真空腔抽至真空后把硅溶胶引入真空腔中，浸渍3h，取出后在60°C 下凝胶化20h，然后在120'C下干燥4h;四、重复步骤三l次；五、将步骤四 制得的产物在氩气或氮气气氛下，以15'C/min的升温速率升温至1650°C，在 165(TC下烧结60min，即得多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料；其中步骤三硅 溶胶的固相质量百分比为40%。
本实施方式步骤二制得产物的致密度为48%。
本实施方式制得产物的线性收縮率为5.7%、显气孔率为33.1%、三点弯 曲强度为181MPa、弹性模量为106Gpa、 30GHz条件下的介电常数为4.96、 800'C条件下的热膨胀系数为3.30xlO_6/K。
具体实施方式
四十一本实施方式多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的 近净尺寸制备方法按以下步骤实现 一、按重量份数比将92份的氮化硅、6 份的氧化钇和2份的氧化铝混合，按凝胶注模成型方法来制备多孔氮化硅生 坯；二、将步骤一制得的产物在氩气或氮气气氛下，以15°C/min的升温速率 升温至1350°C，在1350。C温度下预烧结30min;三、将步骤二制得的产物放 入真空腔内，将真空腔抽至真空后把硅溶胶引入真空腔中，浸渍3h，取出后 在6(TC下凝胶化20h，然后在120。C下干燥4h;四、将步骤四制得的产物在氩气或氮气气氛下，以15°C/min的升温速率升温至1550°C，在155(TC下烧结 60min，即得多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料；其中步骤三硅溶胶的固相质 量百分比为45%。
本实施方式步骤二制得产物的致密度为44%。
本实施方式制得产物的线性收縮率为1.3%、显气孔率为38.7%、三点弯 曲强度为95MPa、弹性模量为48Gpa、 30GHz条件下的介电常数为3.69。
权利要求
1、多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸制备方法，其特征在于多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸制备方法按以下步骤实现一、按重量份数比将92～96份的氮化硅、3～6份的氧化钇和1～2份的氧化铝混合，按凝胶注模成型方法来制备多孔氮化硅生坯；二、将步骤一制得的产物在氩气或氮气气氛下，以10～15℃/min的升温速率升温至1350～1400℃，在1350～1400℃温度下预烧结15～60min；三、将步骤二制得的产物放入真空腔内，将真空腔抽至真空后把硅溶胶引入真空腔中，浸渍2～4h，取出后在55～65℃下凝胶化15～25h，然后在115～125℃下干燥3～5h；四、重复步骤三0～2次；五、将步骤四制得的产物在氩气或氮气气氛下，以10～15℃/min的升温速率升温至1500～1700℃，在1500～1700℃下烧结30～60min，即得多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料；其中步骤三、四中硅溶胶的固相质量百分比为5％～50％。
2、 根据权利要求1所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸 制备方法，其特征在于步骤二中预烧结温度为1360~1380°C。
3、 根据权利要求1或2所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净 尺寸制备方法，其特征在于步骤二中预烧结时间为30 50min。
4、 根据权利要求3所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸 制备方法，其特征在于步骤三中浸渍时间为2.5 3.5h。
5、 根据权利要求l、 2或4所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的 近净尺寸制备方法，其特征在于步骤三中凝胶化温度为58~63°C。
6、 根据权利要求5所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸 制备方法，其特征在于步骤三中凝胶化时间为18~23h。
7、 根据权利要求l、 2、 4或6所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料 的近净尺寸制备方法，其特征在于步骤三中干燥温度为118~123°C。
8、 根据权利要求7所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸 制备方法，其特征在于步骤三中干燥时间为3.5 4.5h。
9、 根据权利要求1、 2、 4、 6或8所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合 材料的近净尺寸制备方法，其特征在于步骤五中烧结温度为1550~1650°C。
10、 根据权利要求9所述的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺 寸制备方法，其特征在于步骤五中烧结时间为40 50min。
全文摘要
多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料的近净尺寸制备方法，它涉及复合材料的近净尺寸制备方法。本发明解决了Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>在烧结过程中陶瓷坯体的收缩率较大的问题。方法如下制备多孔氮化硅生坯；生坯预烧结；浸渍、凝胶化、干燥；烧结，即得多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料。本发明方法制得的多孔氮化硅/氧氮化硅陶瓷复合材料在达到力学性能要求的同时，减小了烧结时坯体的收缩率。本发明方法工艺简单、成本低、重复性好。
文档编号C04B35/584GK101531538SQ200910071698
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月2日 优先权日2009年4月2日
发明者玉 周, 贾德昌, 邵颖峰 申请人:哈尔滨工业大学