专利名称：一种原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法
技术领域：
本发明涉及高温功能/结构陶瓷领域，具体地说是ー种原位反应制备镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)陶瓷材料的方法。
背景技术：
Lu4Si2O7N2陶瓷材料是ー种新型耐高温陶瓷材料，硬度和模量高、可以作为ー种高温结构/功能一体化陶瓷应用。同时作为氮化硅陶瓷的晶间相，其高温性能优异，对提高基体的高温力学性能有益。另外，该陶瓷具有很低的热导率和较好的高温刚度，因此也可以作为潜在的隔热材料，在航空、航天、核エ业和高温结构件等高新技术领域有广泛的应用前景。但是，Lu4Si2O7N2在合成过程中有较多的Lu-Si-O-N三元或四元竞争相，长期以来难以获得较纯的Lu4Si2O7N2块体陶瓷材料。迄今为止，尚没有关于镥硅氧氮陶瓷块体材料制备或性能方面的报道。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供了ー种原位反应制备镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)陶瓷材料的方法，其エ艺简单、合成温度低、耗时短，节约能源，且可以获得高纯度的镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)陶瓷材料。为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案采用原位反应制备Lu4Si2O7N2材料的方法，以氧化镥粉(Lu2O3)、氧化硅粉(SiO2)和氮化娃粉(Si3N4)混合而成的固体粉末混合物作为原料,原位反应合成单相的Lu4Si2O7N2粉体陶瓷材料，原料粉的摩尔比为 Lu2O3 SiO2 Si3N4 = 4 (O. 8-1. 2) (O. 8-1. 2)。本发明中，获得Lu2SiO5粉体陶瓷材料的平均粒度为O. 5-2 μ m。本发明中，获得Lu2SiO5块体陶瓷材料的相对致密度为99%。原粒粉中，氧化镥粉的纯度彡99. 99wt. %，其平均粒度10_20 μ m ;氧化硅粉的纯度彡99wt. %，其平均粒度10-20 μ m;氮化硅粉的纯度彡95wt. %，其平均粒度10-30 μ m。本发明所述原位反应制备镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)陶瓷材料的方法，包括如下步骤(I)将氧化镥粉(Lu2O3)、氧化硅粉(SiO2)和氮化硅粉(Si3N4)粉末混合物经球磨机球磨5 50小时，将粉末置于烘箱中，在50 70°C下烘干，得到干燥粉末；(2)以5_20MPa的压力，常温下将步骤(I)得到的干燥粉末冷压成饼状，冷压时间5-30分钟，然后装入石墨模具中，在通有氮气保护气氛的热压炉中烧结，热压炉以2 500C /min的升温速率升至1400 1800°C后保温，原位反应O. 5 3小时，得到单相的粉体陶瓷材料。原位反应的同时进行热压处理，得到块状的镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)陶瓷材料。热压压カ为20-40MPa，热压压力优选为30MPa。步骤(I)中，球磨过程采用氮化硅球加入分析纯こ醇进行湿磨。 步骤(I)中，球磨介质与原料粉末的分离采用过筛法，筛子的孔径为200目。
步骤⑴中，球磨机球磨时间优选为8 24小时，温度优选升至为70°C。步骤(2)中，热压炉的升温速率优选为5_30°C /min。步骤⑵中，反应气氛为纯度彡99% (体积)的氮气。步骤(2)中，反应保温温度优选温度为1400°C -1700°C。本发明具有如下优点I.本发明采用的原料简单，以摩尔比的氧化镥粉、氧化硅粉和氮化硅粉混合而成的固体粉末混合物作为原料。2、本发明通过原位反应热压方法，烧结与致密化同时进行，获得致密均匀的镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)块体材料，其相对致密度可以达到99%。 3、本发明方法获得的Lu4Si2O7N2块体陶瓷材料具有很低的热导率，其热导率可以达到I. 39-1. SlWnr1K-1,是极具应用前景的高温隔热陶瓷材料。4、本发明方法获得的Lu4Si2O7N2陶瓷材料，其硬度可以达到10_12GPa。
图I为实施例I制备的Lu4Si2O7N2陶瓷材料的X射线衍射图谱。图2为实施例2制备的块体Lu4Si2O7N2材料扫描电镜照片。图3为实施例2制备的块体Lu4Si2O7N2材料热导率与温度的关系曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例详述本发明。实施例I称取Lu2O3粉(纯度99. 99wt. %，其平均粒度为15 μ m) 159. 2g，SiO2粉(纯度99wt. %，其平均粒度为10 μ m) 6g，Si3N4粉(纯度彡95wt. %，其平均粒度为20 μ m) 14g (三种粉末的摩尔量为O. 4mol、0. lmol、0. ImoI)倒入氮化硅球磨罐中进行常规湿磨，加入分析纯无水こ醇，用氮化硅球湿混24小吋。之后利用烘箱在空气中70°C烘干8小吋。烘干后用200目的筛子将粉末与氮化硅球分离。将分离后得到的混合物原料粉在5MPa的压カ下冷压成饼状，冷压时间30分钟。将样品放在石墨模具中，在通有氮气保护气的高温热压炉中，以15°C /min的升温速率升温至1600°C保温,原位反应60min,合成单相粉体镥娃氧氮(Lu4Si2O7N2)粉体材料，其平均粒度为I μ m。如图I所示，随炉冷却至室温后，将获得的粉体材料经X射线衍射分析为单ーLu4Si2O7N2 相。实施例2称取Lu2O3粉(纯度99. 99wt. %，其平均粒度为15 μ m) 159. 2g，SiO2粉(纯度99wt. %，其平均粒度为10 μ m) 6g，Si3N4粉(纯度彡95wt. %，其平均粒度为20 μ m) 14g (三种粉末的摩尔量为O. 4mol、0. lmol、0. lmol)，倒入氮化硅球磨罐中进行常规湿磨，加入分析纯无水こ醇，用氮化硅球湿混24小吋。之后利用烘箱在空气中70°C烘干8小吋。烘干后用200目的筛子将粉末与氮化硅球分离。将分离后得到的混合物原料粉在5MPa的压カ下冷压成饼状，冷压时间30分钟。将样品放在石墨模具中，在通有氮气保护气的高温热压炉中，以15°C /min的升温速率升温至1700°C保温，原位反应60min。升温过程中进行热压，所选热压压カ值为30MPa。随炉冷却至室温后，将获得的块体材料经X射线衍射分析为致密均匀的镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)块体陶瓷，其相对致密度可以达到99%，其热导率可以达到
I.39伽14，其硬度可以达到11. 5GPa。相应的扫描电镜照片和热导率随温度的变化曲线分别列于图2和图3。从图2中，可以看到本发明方法可以得到致密均匀的镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)块体陶瓷。如图3所示，列出了一些常见的低热导率陶瓷，可见本发明方法所得的镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)块体陶瓷具有很低的热导率。实施例3 称取Lu2O3 粉(纯度99. 99wt. %，其平均粒度为 15 μ m) 159. 2g，SiO2 粉(纯度99wt. %，其平均粒度为10 μ m) 7. 2g，Si3N4粉(纯度彡95wt. %，其平均粒度为20 μ m) 16. 8g(三种粉末的摩尔量为O. 4mol、0. 12mol、0. 12mol),倒入氮化娃球磨罐中进行常规湿磨，加入分析纯无水こ醇，用氮化硅球湿混24小吋。之后利用烘箱在空气中50°C烘干8小吋。烘干后用200目的筛子将粉末与氮化硅球分离。将分离后得到的混合物原料粉在15MPa的压カ下冷压成饼状，冷压时间15分钟。将样品放在石墨模具中，在通有氮气保护气的高温热压炉中，以10°C /min的升温速率升温至1600°C保温，原位反应120min。升温过程中进行热压，所选热压压カ峰值为40MPa。随炉冷却至室温后，将获得的块体材料经X射线衍射分析为致密均匀的镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)块体陶瓷，其相对致密度可以达到99%，其热导率可以达到I. AWnr1IT1,其硬度可以达到llGPa。实施例结果表明，本发明可以在较低温度下，较短的时间内制备得到高纯度镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)陶瓷粉体或者块体材料，所制备出的Lu4Si2O7N2陶瓷块体材料具有均匀致密、热导率低等特点，是优良的隔热高温陶瓷材料。
权利要求
1.一种原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在干，以氧化镥粉、氧化硅粉和氮化娃粉混合而成的固体粉末混合物作为原料，原位反应合成单相的Lu4Si2O7N2粉体陶瓷材料，原料粉的摩尔比为 Lu2O3 SiO2 Si3N4 = 4 (O. 8-1. 2) (O. 8-1. 2)。
2.按权利要求I所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，原料粉中，氧化镥粉的纯度彡99. 99wt. %，其平均粒度10-20 μ m;氧化硅粉的纯度彡99wt. %，其平均粒度10-20 μ m ;氮化硅粉的纯度彡95wt. %，其平均粒度10-30 μ m。
3.按权利要求I所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，具体的制备步骤为， (1)将氧化镥粉、氧化硅粉和氮化硅粉粉末混合物经球磨机球磨5 50小时，将粉末置于烘箱中，在50 70°C下烘干，得到干燥粉末； (2)以5-20MPa的压力，常温下将步骤(I)得到的干燥粉末冷压成饼状，冷压时间5_30分钟，然后装入石墨模具中，在通有氮气保护气氛的热压炉中烧结，热压炉以2 50°C/min的升温速率升至1400 1800°C后保温，原位反应O. 5 3小时，得到単相的粉体陶瓷材料。
4.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在干，原位反应的同时进行热压处理，得到块状的镥硅氧氮陶瓷材料。
5.按权利要求4所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在干，热压处理的压カ为20-40MPa。
6.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(I)中，球磨过程采用氮化硅球加入分析纯こ醇进行湿磨。
7.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(I)中，球磨介质与原料粉末的分离采用过筛法，筛子的孔径为200目。
8.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，升温速率为5-30°C /min。
9.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，反应气氛为纯度> 99%的氮气。
全文摘要
本发明涉及高温功能/结构陶瓷领域，具体地说是一种原位反应制备镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)陶瓷材料的方法。以氧化镥粉(Lu2O3)、氧化硅粉(SiO2)和氮化硅粉(Si3N4)混合而成的固体粉末混合物作为原料，原位反应合成单相的Lu4Si2O7N2粉体陶瓷材料，原料粉的摩尔比为Lu2O3∶SiO2∶Si3N4＝4∶(0.8-1.2)∶(0.8-1.2)。本发明可以在较低温度下，较短的时间内制备得到高纯度镥硅氧氮(Lu4Si2O7N2)陶瓷粉体或者块体材料，所制备出的Lu4Si2O7N2陶瓷块体材料具有致密、热导率低等特点，是优良的隔热高温陶瓷材料。
文档编号C04B35/50GK102659407SQ20121009770
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者孙鲁超, 王京阳 申请人:中国科学院金属研究所