专利名称：钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷基复合材料领域，具体为一种钇硅氧氮-氮化硼(Y4Si2O7N2-BN)陶瓷基复合材料的原位制备方法。
背景技术：
Y4Si2O7N2是一种新型的四元低热导率陶瓷材料。它在热学性能方面具有诸多优点，它具有较低的热导率(室温热导率1.8-2. OW ^nT1 'IT1,1000°C高温热导率 1. 4-1. 6ff.ni-1 -Γ1)、较低的热膨胀系数G-6X 10- -1)，良好的耐高温、抗氧化性能，较低的密度(4. 83g/cm3)和模量(杨氏模量185GPa)，中等强度(弯曲强度157士7MPa)，较高的硬度(维氏硬度10. 3士0. 3GPa)等，在航空、航天、钢铁工业等高新技术领域都有广泛的潜在应用前景。尽管Y4Si2O7R具有优异的热学性能，但其较差的可加工性、抗热震性，以及本征脆性等大大限制了它的应用。在Y4Si2O7N2基体中加入BN制备复合材料可以改善上述不利性能，然而以Y4Si2C^2粉末和BN粉末为原料制备的该复合材料存在致密度和力学性能有待进一步提高，热导率也有待进一步降低。针对这些问题，本发明开发出一种采用h-BN粉、 Y2O3粉、SW2粉和Si3N4粉为原料原位反应制备Y4Si2O7N2-BN复合材料的方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种原位制备可加工、力学性能好、热导率低的钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的方法，解决现有技术中存在的复合材料致密度和力学性能较低，热导率较高等问题。本发明的技术方案是一种钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法，包括如下步骤1)原料粉组成及成分范围以六方氮化硼(h-BN)粉、IO3粉、SW2粉和Si3N4粉为原料，h-BN粉、^O3粉、SW2 粉和Si3N4粉的摩尔比为(4. 5 28. 4) 4 1 1 ；2)制备工艺原料经过球磨1 M小时，装入石墨模具中，以10 15MPa的压力冷压1 5分钟成饼状，在通有氮气作为保护气氛的热压炉中以5 40°C /min的升温速率升至1500 1700°C保温0. 5 1小时，接着以5 40°C /min的升温速率升至1800 2100°C保温1 3小时，热压压力为20 40MPa。利用上述工艺最终得到不含杂质的由Y4Si2O7N2和h_BN两相组成的复合材料，氮化硼的体积含量为5 95% (优选为10 30% )，复合材料中h-BN 第二相尺寸在5 μ m以下(优选为0. 5-5 μ m)，以孤岛状均勻弥散地分布在连续的Y4Si2O7N2 基体当中。本发明中，Y2O3粉的粒度为100 400目，SiO2粉的粒度为100 400目，Si3N4粉的粒度为100 300目，h-BN粉的粒度为100 300目。本发明中，球磨为氮化硅球加入乙醇进行常规的湿磨。
本发明的优点是1.本发明使用的原料成分常见，分别是h-BN粉、AO3粉、SW2粉和Si3N4粉。2.工艺简单，成本低。本发明通过简单的一步原位热压合成的方法，在(2100°C以下)及短时间(一般在三个小时内)获得无杂质致密的Y4Si2O7N2-BN陶瓷基复合材料。3.较高的致密度、低的热导率和优异的力学性能。本发明Y4Si2O7N2-BN陶瓷基复合材料致密度、弯曲强度和断裂韧性等优于采用Y4Si2O7N2粉和h-BN粉烧结制备的Y4Si2O7N2-BN陶瓷基复合材料。而热导率低于采用Y4Si2O7N2粉和h_BN粉烧结制备的 Y4Si2O7N2-BN陶瓷基复合材料。
图1 为原位制备 Y4Si2O^-IOvol图2 为原位制备 Y4Si207N2_20vol图3 为原位制备 Y4Si207N2_40vol
具体实施例方式下面通过实例详述本发明。实施例1将h-BN 粉(100 目，纯度99wt. % )4.45g、403 粉(300 目，纯度 99. 5wt. % )69. 83g、SiO2 粉(200 目，纯度:99. 5wt. % )4. 66g 和 Si3N4 粉(300 目，纯度 99wt. % ) 10. 83g倒入氮化硅球磨罐中，使用氮化硅球加入乙醇湿磨12小时，之后在50°C烘干48小时。烘干后的粉末倒入直径为50mm的内壁涂有BN的石墨模具中冷压。以12MPa 的压力冷压5min之后，将模具装入热压炉中，在流动氮气保护下，以5°C /min的升温速率升温至1600°C，保温30min，之后以10°C /min的升温速率升温至1800°C，热压60min，热压压力为30MPa。获得的块体材料经X射线衍射分析为Y4Si2O7N2和BN两相，二者体积比为 90 10，基本无其它杂质。测定的密度为4.378/側3，致密度为95.53(%。三点弯曲强度为 239 士 23MPa，维氏硬度7. 97 士 0. 2GPa。复合材料XRD图谱如图1所示。实施例2将h-BN 粉(100 目，纯度99wt. % ) 12. 68g、^O3 粉(300 目，纯度 99. 5wt. % ) 88. 3g、SiO2 粉(200 目，纯度:99. 5wt. % ) 5. 89g 和 Si3N4 粉(200 目，纯度 99wt. % ) 13. 7g倒入氮化硅球磨罐中，使用氮化硅球加入乙醇湿磨M小时，之后50°C烘干 48小时。烘干后的粉末倒入直径为50mm的内壁涂有BN的石墨模具中冷压。以15MPa的压力冷压3分钟之后，将模具装入石墨发热体的热压炉中，在流动氮气保护下，以15°C /min 的升温速率升温至1550°C，保温40min，之后升温至1900°C，热压50min，热压压力为30MPa。 获得的复合材料经X射线衍射分析SY4Si2O7N2和BN两相，二者体积比为80 20，基本无其它杂质。测定的材料密度为4. 136g/cm3，致密度为95. 80%。三点弯曲强度为344士 13MPa， 断裂韧性2. 15士0. 22MPa · m1/2,复合材料热导率随温度变化如图2所示。实施例3将h-BN 粉(300 目，纯度:99wt. % ) 17. 82g J2O3 粉(400 目，纯度:99. 5wt. % )46, 56g,Si02i]r (200 目，纯度:99. 5wt. % ) 3. Ilg 和 Si3N4 粉(300 目，纯度:99wt. % ) 7. 22g 倒
.% BN复合材料的XRD图谱。 .%BN复合材料的热导率。 .% BN复合材料的两相分布形貌。入氮化硅球磨罐中，使用氮化硅球加入乙醇湿磨6小时，之后50°C烘干48小时。烘干后的粉末倒入直径为50mm的内壁涂有BN的石墨模具中冷压。以IOMPa的压力冷压4分钟之后，将模具装入石墨发热体的热压炉中，在流动氮气保护下，以30°C /min的升温速率升温至1700°C，保温30min，之后升温至2100°C，热压30min，热压压力为20MPa。获得的复合材料经X射线衍射分析SY4Si2O凡和BN两相，二者体积比为60 40。测定的材料密度为
3.65g/cm3，致密度为95. 84%。三点弯曲强度为298士32MPa，室温弹性模量为118. 8IGPa0如图3所示，复合材料中h-BN第二相尺寸在5 μ m以下(本实施例为0. 5-5 μ m)， 以孤岛状均勻弥散地分布在连续的Y4Si2O7N2基体当中。比较例1将Y4Si2O7N2 粉(300 目，纯度99wt. % )77. 62g, h-BN 粉(100 目，纯度 99wt. % )9. 12g倒入氮化硅球磨罐中，使用氮化硅球加入乙醇湿磨M小时，之后50°C烘干 48小时。烘干后的粉末倒入直径为50mm的内壁涂有BN的石墨模具中冷压。以15MPa的压力冷压3分钟之后，将模具装入石墨发热体的热压炉中，在流动氮气保护下，以15°C /min 的升温速率升温至1800°C，热压60min，热压压力为40MPa。获得的复合材料经X射线衍射分析为Y4Si2O凡和BN两相，二者体积比为80 20，基本无其它杂质。测定的材料密度为
4.09g/cm3，致密度为94. 74%。三点弯曲强度为286士 12MPa，断裂韧性2. 04士0. 03MPa -m1/20从比较例可以看出，以Y4Si2O7R粉末和BN粉末为原料制备的该复合材料致密度和力学性能有待进一步提高，热导率也有待进一步降低。利用脆性陶瓷的断裂力学以及陶瓷复合材料热导率的相关理论进行分析，我们得出结论当h-BN尺寸进一步减小，分布更为弥散时，Y4Si2O7N2-BN复合材料的力学性质有望进一步提高，并且热导率可以进一步降低。从实施例可以看出，本发明可以用更短的时间和较少的步骤热压烧结出纯度高、 致密度好、强度高、热导率低的钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料。
权利要求
1.一种钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法，其特征在于1)原料粉组成以h-BN粉、IO3粉、SiA粉和Si3N4粉为原料，h-BN粉、Y2O3粉、SW2粉和Si3N4粉的摩尔比为(4. 5 28. 4) :4:1:1;2)制备工艺原料经过球磨1 M小时，装入石墨模具中，以10 15MPa的压力冷压1 5分钟成饼状，在通有氮气作为保护气氛的热压炉中以5 40°C /min的升温速率升至1500 1700°C保温0. 5 1小时，接着以5 40°C /min的升温速率升至1800 2100°C保温1 3小时，热压压力为10 40MPa。
2.按照权利要求1所述的钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法，其特征在于，Y2O3粉的粒度为100 400目，SiO2粉的粒度为100 400目，Si3N4粉的粒度为100 300目，h-BN粉的粒度为100 300目。
3.按照权利要求1所述的钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法，其特征在于，氮化硼的体积含量为5 95%，其余为Y4Si2O7N2相。
4.按照权利要求1所述的钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法，其特征在于，氮化硼的体积含量优选为10 30%，其余为Y4Si2O7N2相。
5.按照权利要求1所述的钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法，其特征在于，复合材料中h-BN第二相尺寸在5μπι以下，以孤岛状均勻弥散地分布在连续的 Y4Si2O7N2基体当中。
全文摘要
本发明涉及陶瓷基复合材料领域，具体为一种钇硅氧氮-氮化硼(Y4Si2O7N2-BN)陶瓷基复合材料的原位制备方法。该复合材料由钇硅氧氮和氮化硼两相组成，按体积百分比计，复合材料中氮化硼的含量为5～95％，余量为钇硅氧氮。以氧化钇粉、氧化硅粉、氮化硅粉和BN粉为原料，料粉经过球磨1～24小时，烘干过筛后，装入石墨模具中，以10～15MPa冷压，之后在通有氮气作为保护气氛的热压炉中以5～40℃/min的升温速率升至1500～1700℃保温0.5～1小时，接着以5～40℃/min的升温速率升至1800～2100℃保温1～3小时，热压压力为10～40MPa。本发明可以在短时间内热压烧结出纯度高、致密度好、强度高、热导率低的钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料。
文档编号C04B35/622GK102351541SQ201110180000
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者周延春, 陈琳, 陈继新 申请人:中国科学院金属研究所