专利名称：一种低成本高性能多孔β-SiAlON陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明属于材料领域，涉及一种低成本高性能多孔β-SiAlON陶瓷的制备方法， 属于多孔陶瓷领域。
背景技术：
β-SiAlON是由Si，Al，0，N组成的化合物，是在β-Si3N4中用A1-0等量置换Si-N 所形成的固溶体，因此与β-Si3N4有着相似的晶体结构。其结合了 Si3N4及Al2O3各自的特点，具有高温强度与硬度高、蠕变小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损热膨胀系数小、抗热冲击性好、 断裂韧性高等特点。近年来，关于β-SiAlON材料方面的研究较多，而其实际应用依然受到限制，这是由于原料及工艺的限制，成本过于昂贵，限制了其大范围的应用。β-SiAlON通常是由纯原料Si3N4，Α1Ν，SiO2及Al2O3通过一定的配比在高温下烧结而成，成本较高。β -SiAlON大量工业应用的关键是如何降低成本。因而利用廉价的原料及简单的工艺来制备β-SiAlON是研究者们关注的方向。公开号为CN1686922A的中国发明专利申请中提供了一种“矾土基β-SiAlON结合刚玉复合材料的制备方法”，该方法通过氮化反应烧结一步制备了矾土基β -SiAlON结合刚玉复合材料，但该专利使用的原料为高铝矾土、Si、Al、刚玉细砂及细粉。公开号为CN168872的中国发明专利申请中提出了一种SiAlON粉的制备方法，其特点是利用高温自蔓延工艺、该工艺此方法的优点是反应速度快，能量损失低，易于制备高纯产物；缺点是对原料的纯度要求高，一般反应设备复杂，产量低，且只能生产粉体。因此， 成本高且操作工艺严格，不适宜工业化生产。文献“高纯β-SiAlON粉料的可控合成(岳昌盛，郭敏，张梅，王习东，张志安，彭犇，无机材料学报，2009，24 (6) :1163-1167)，，采用煤矸石，以碳黑为还原剂，碳热还原氮化合成β-SiAlON。文献“利用高铝粉煤灰合成β-SiAlON粉体的实验研究(李金洪，马鸿文， 吴秀文，岩石矿物杂志，2005年06期)”提供了一种用粉煤灰合成β -SiAlON的方法，其还原剂也为碳。除此之外，天然原料如高岭石、膨润土、叙永石、叶腊石、伊利石、蒙脱石、黝方石等通过类似的方法也可以合成出β-SiAlON粉体。此方法的突出优点是原料成本低，操作方便，合成的SiAlON粉体粒度较细，易于烧结。但天然原料均为固体，混合不均勻，反应温度仍然较高，反应周期长，产物相组成复杂，原料中的碳容易残留，影响产物的纯度及性能。目前，还没有检索到以Si粉及Al2O3粉为原料，添加少量烧结助剂，制备多孔 β -SiAlON方面的公开发明专利。
发明内容
本发明的目的在于寻找一种成本低廉、性能优良的多孔β -SiAlON陶瓷及制备工艺。本发明的低成本高性能多孔β-SiAlON陶瓷，气孔率介于为10-40%，抗弯强度为90-340MPa，其中 β -SiAlON 的 ζ 值为 1-2。本发明的目的是通过下述工艺过程实现的(1)按质量比Si粉Al2O3粉=50-80 % 20-50 %配料，作为烧结助剂的 Y2O3(Sm2O3)按Si粉和Al2O3粉总质量的0-3%加入；用玛瑙球作为研磨球，料粉玛瑙球= 1 1(质量比)，置于尼龙罐中利用滚式球磨机混料12-24h配成浆料；置于干燥箱中烘干、 造粒、模压成型；将干燥后的陶瓷粉体在压机上以50-200MPa的压力模压成型.(2)将成型后的块体置于炉中氮化，在0. 3-lMPa的流动氮气气氛下，阶段升温，最后温度升至1250-1350°C，保温时间2-4h，氮化后的样品继续升温至1600°C -1800°C烧结， 保温时间为0. 5-汕。(3)冷却至500°C -1000°C，关闭氮气，继续冷却至室温后，得到产物。所使用的原料Si粉粒径为1-100 μ m, Al2O3粉的粒径为1_10 μ m。为了使获得的多孔β-SiAlON具有较高的强度及气孔率，成型的过程中加入了结合剂，所用的结合剂为聚乙烯醇、酚醛树脂、羧甲基纤维素中的一种或几种。结合剂的用量为原料中量的l_5wt. %。本发明的优点在于(1)制备工艺简单，无需复杂的工艺设备和工艺过程，同时以工业级的Si粉及 Al2O3粉为原料，大大降低了多孔β-SiAlON材料的制造成本。(2)由于β-SiAlON是Si3N4的固溶体，其溶解度可在一定范围内变化，当原料组分稍有变化时并不影响最终多孔β-SiAlON材料的获得，因此该工艺对原料的要求较低， 合适工业化生产。(3)该发明利用Si粉反应烧结前后体积无变化的特点，能实现对烧结样品尺寸的精确控制。(4)所使用的原料中，Al2O3既作为初始原料，同时也可作为烧结助剂，无需添加其它烧结助剂。(5)利用本方法制备的多孔β -SiAlON陶瓷具有质量轻，强度高的特点，获得的材料气孔率介于10-40%之间，抗弯强度为90-340MPa。
图1为Al2O3粉含量为30%，Si粉含量为70 %时，1350°C氮化汕后1700°C烧结浊获得的多孔β-SiAlON陶瓷的XRD分析，由图可知主晶相β-SiAlON。图2为Al2O3粉含量为30%，Si粉含量为70 %时，1350°C氮化汕后1700°C烧结后多孔β-SiAlON陶瓷断口的SEM照片。图3为不添加烧结助剂时不同Al2O3粉含量样品在1350°C氮化池后1700°C烧结 2h后多孔获得多孔β -SiAlON陶瓷的气孔率及抗弯强度。
具体实施例方式下面通过具体实施进一步说明本发明的突出特点和显著的进步，但本发明并非局限于实施例。各实施例的原料配比如下。(I)Al2O3 粉为 30wt. %, Si 粉为 70wt. %
(2)Al2O3 粉为 50wt. %, Si 粉为 50wt. %(3) Al2O3 粉为 30wt. %，Si 粉为 70wt. %，Y2O3 为 Al2O3 粉及 Si 粉总重量 3wt. %(4) Al2O3 粉为 30wt. %，Si 粉为 70wt. %，Sm2O3 为 3A1203 粉及 Si 粉总重量 3wt. %实施例1工艺步骤如下(1)球磨按照设计组分称取30wt. %的Al2O3粉及70wt. %的Si粉后，以无水乙醇作为混料介质的，按料粉总质量的60%加入，用玛瑙球作为研磨球，料粉玛瑙球= 1 1(质量比)，置于尼龙罐中利用滚式球磨机混料12h;(2)干燥将湿磨后的料浆置于干燥箱中于60°C烘干；(3)成型加入5wt. %的IOwt. %的聚乙烯醇溶液作为粘结剂，在50MPa的单轴压力模压成型；(4)反应烧结在氮气气氛反应烧结，烧结温度为1350°C，保温时间为池，氮气压力为 0. 6MPa ；(5)高温烧结氮化后样品置于高温下烧结，烧结温度1700°C，保温时间浊；本发明的产品为多孔β-SiAlON陶瓷，其中ζ = 1，气孔率为32.3%，抗弯强度为 125. 5MPa，晶粒直径为0. 5 μ m,长径比为3-4。实施例2(1)球磨按照设计组分称取Al2O3粉为50wt. %及Si粉为50wt. %原料后，以无水乙醇作为混料介质的，按料粉总质量的40%加入，用玛瑙球作为研磨球，料粉玛瑙球= 1 1(质量比)，置于尼龙罐中利用滚式球磨机混料Mh;(2)干燥将湿磨后的料浆置于干燥箱中于60°C烘干；(3)成型加入5wt. %的IOwt. %的聚乙烯醇溶液作为粘结剂，在200MPa的单轴压力模压成型；(4)反应烧结在氮气气氛反应烧结，烧结温度为1350°C，保温时间为池，氮气压力为 0. 6MPa ；(5)高温烧结氮化后样品置于高温下烧结，烧结温度1700°C，保温时间浊；本发明的产品为多孔β-SiAlON陶瓷，其中ζ = 2，气孔率为8.7%，抗弯强度为 255. 6MPa，晶粒直径为1 μ m,长径比为2-3。实施例3(1)球磨按照设计组分称取30wt. %的Al2O3粉、70wt. %的Si粉及Al2O3粉及Si 粉总重量3wt. 后，以无水乙醇作为混料介质的，按料粉总质量的60%加入，用玛瑙球作为研磨球，料粉玛瑙球=1 1(质量比)，置于尼龙罐中利用滚式球磨机混料Mh;(2)干燥将湿磨后的料浆置于干燥箱中于60°C烘干；(3)成型加入5wt. %的浓度为IOwt. %的聚乙烯醇溶液作为粘结剂，在200MPa 的单轴压力模压成型；(4)反应烧结在氮气气氛反应烧结，烧结温度为1350°C，保温时间为池，氮气压力为 0. 6MPa ；(5)高温烧结氮化后样品置于高温下烧结，烧结温度1700°C，保温时间浊；本发明的产品为多孔β-SiAlON陶瓷，其中ζ = 1，气孔率为10.8%，抗弯强度为242. 2MPa，晶粒直径为0. 5 μ m,长径比为3-5。实施例4(1)球磨按照设计组分称取30wt. %的Al2O3粉、70wt. %的Si粉及Al2O3粉及Si 粉总重量3wt. % Sm2O3后，以无水乙醇作为混料介质的，按料粉总质量的60%加入，用玛瑙球作为研磨球，料粉玛瑙球=1 1(质量比)，置于尼龙罐中利用滚式球磨机混料Mh;(2)干燥将湿磨后的料浆置于干燥箱中于70°C烘干；(3)成型加入5wt. %的IOwt. %的聚乙烯醇溶液作为粘结剂，在50MPa的单轴压力模压成型；(4)反应烧结在氮气气氛反应烧结，烧结温度为1350°C，保温时间为池，氮气压力为 0. 6MPa ；(5)高温烧结氮化后样品置于高温下烧结，烧结温度1700°C，保温时间浊；本发明的产品为多孔β-SiAlON陶瓷，其中ζ = 1，气孔率为23.8%，抗弯强度为 342. 4MPa，晶粒直径为1 μ m,长径比为3-5。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种低成本高性能多孔β-SiAlON陶瓷，其特征在于所述高性能多孔β-SiAlON 陶瓷的气孔率介于为10-40%，抗弯强度为90-340MPa，其中β -SiAlON的ζ值为1_2。
2.如权利要求1所述多孔β-SiAlON陶瓷的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)按照质量比，将Si粉、Al2O3粉和Y2O3进行混合得到配料，其中Si粉Al2O3粉= 50-80% 20-50%, Sm2O3 为 Si 粉和 Al2O3 粉总重的 0-3% ；Sm2O3 为烧结助剂；(2)在步骤(1)所得配料中加入无水乙醇得到混合料，无水乙醇为配料质量的 30-60% ；用玛瑙球作为研磨球，将混合料置于尼龙罐中利用滚式球磨机混料12-24h得到料浆，其中，配料和玛瑙球的质量比为1 1;(3)将料浆置于干燥箱中烘干、造粒、模压成型得到陶瓷坯体；(4)将陶瓷坯体在氮气气氛反应烧结得到样品，烧结温度为1250-1350°C，保温时间为 2_4h，氮气压力为0. 3-lMPa ；(5)将样品置于高温下烧结，烧结温度1600-1800°C，保温时间0.5_池，获得多孔 β-SiAlON 陶瓷。
3.按权利要求2所述的制备方法，其特征是所述烧结助剂Sm2O3为氧化钇或氧化钐， 烧结助剂的加入总量为1_3%。
4.按权利要求2所述的制备方法，其特征是料浆烘干后，在单向压机上以50-200MPa 压力模压成型。
5.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于烧结工艺分为氮化及烧结两部分， 其中，氮化温度为1250-1350°C，保温时间2-4h，烧结温度为1600_1800°C，保温时间为 0.5-3h。
6.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于烧结过程分阶段进行1200°C以下升温速率10°C /分钟，气氛为真空；1800°C以下升温速率5°C /分钟，保温0. 5-池，气氛为氮气。
7.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述Si粉粒径为1-100μ m。
8.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述Al2O3粉的粒径为1-10μ m。
9.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述成型的过程中加入了结合剂，所用的结合剂为聚乙烯醇、酚醛树脂、羧甲基纤维素中的一种或几种，结合剂的用量为配料质量的 1-5% ο
全文摘要
本发明公开了一种低成本高性能多孔β-SiAlON陶瓷及其制备方法，该方法按照质量比，将Si粉、Al2O3粉和Sm2O3进行混合得到配料，加入无水乙醇得到混合料，研磨；烘干、造粒、模压成型得到陶瓷坯体；将陶瓷坯体在氮气气氛反应烧结得到样品；将样品置于高温下烧结获得多孔β-SiAlON陶瓷。本发明制备工艺简单，合适工业化生产，能实现对烧结样品尺寸的精确控制，利用本方法制备的多孔β-SiAlON陶瓷具有质量轻，强度高的特点，获得的材料气孔率介于10-40％之间，抗弯强度为90-340MPa。
文档编号C04B35/599GK102276285SQ20111013227
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者乔冠军, 何恩全, 岳建设, 王红洁 申请人:西安交通大学