专利名称：纳米碳化硅－氮化硅复相陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米碳化硅--氮化硅复相陶瓷及其制备方法，属于特种陶瓷技术领域。
碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷均具有高机械强度、高耐磨性、低膨胀系数、良好的抗热震性和化学稳定性，所以，作为特陶得到广泛应用，如应用于发动机上，但是，Si3N4和SiC单相材料仍难以满足陶瓷发动机部件对材料性能的需求，为了同时提高Si3N4材料室温、高温力学性能和抗氧化性能，SiC可作为第二相引入Si3N4基体中，其中SiC可以呈球状、片状、晶须状、纤维状等形态。通常SiC相颗粒较大，且分布不均匀，致使复相陶瓷的抗弯强度相对较低，如果SiC相以纳米级球状体均匀存在时，可大大改善复相陶瓷的材料性能。可是，由于超细无机SiC粉体具有团聚性，其分散工艺难以控制，很难与Si3N4粉体均匀分散，因而混合粉体烧结后，制备的SiC--Si3N4复相陶瓷中，SiC极易富集，在Si3N4相中分散不均匀，且难以形成纳米SiC相，导致材料性能下降。
本发明的目的在于提供一种SiC含量少、晶粒小、分布均匀的良好材料性能的纳米SiC--Si3N4复相陶瓷，同时提供了其科学合理、易于实施的制备方法。
本发明的目的可以由以下方案来实现所述的碳化硅-氮化硅复相陶瓷，其百分组成为Si3N476～86％wtSiC 5～15％wt其它氧化物1.0～9.0％wt其中的SiC是纳米级SiC，其它氧化物为Y2O30.5～1.5％wtAl2O30.5～7.5％wt本发明的碳化硅—氮化硅复相陶瓷的制备是首先经配料、混料，再经高温烧结而制得的，具体步骤为(1)配料
Si3N4(纯度为98.5％以上) 40～80％Y2O3(化学纯) 0.5～1.5％wtAl2O3(化学纯)0.5～7.5％wt聚八甲基环四硅氮烷 17～59％wt组成中Si3N4提供主晶相，所用粉料的平均粒径为0.27um；Y2O3和Al2O3为烧结助剂，所用粉料的平均粒径分别为0.3um、0.2um；聚八甲基环四硅氮烷结构式为
聚八甲基环四硅氮烷在热解过程中提供复相中的SiC第二相。
(2)混料将聚八甲基环四硅氮烷用有机溶剂溶解，与Si3N4粉、Y2O3粉、Al2O3粉分散均匀。试验所用溶剂为苯类或酯类有机物，其用量以能够溶解聚八甲基环四硅氮烷为宜，只起溶剂作用，不影响正常反应。混料分散方式为先球磨或强力搅拌后再经超声分散，其中球磨为湿法球磨，液体介质为无水乙醇，一般球磨时间为10～48小时，如采用强力搅拌，搅拌速度为10000～12000转/分钟，一般需10～50分钟；超声波分散一般所需时间为1～5小时。机械强力分散与超声波分散相结合，分散效果好。
(3)烘干将混合好的料烘干。
(4)烧结将烘干后的混合粉料高温烧结烧结温度1700～1800℃
高温保温时间0.5～2小时烧结压力20～40MPa在升温过程中，升温速度为5～30℃/分钟，烧结气氛由惰性气体控制，烧结反应气氛，我们采用了氮气和氩气的混合气体，其组成为N220～80％volAr20～80％vol，混合气体以0.05～2.0升/分钟的流量不断补充，高温保温后自然冷却，冷却后制得本发明复相陶瓷。
采用上述工艺过程制备高强度纳米SiC--Si3N4复相陶瓷，由于通过有机物聚八甲基环四硅氮烷引入第二相SiC，易在Si3N4相中形成纳米SiC相，同时由于采用了苯类或酯类为溶剂及特别的分散工艺，使得聚八甲基环四硅氮烷可以充分地溶解在有机溶剂中，Si3N4均匀地分散于有机溶剂中，烘干后聚八甲基环四硅氮烷便可均匀地包裹在Si3N4表面，经热解热压烧结工艺后，SiC纳米相在Si3N4基体中分散得十分均匀，使得纳米SiC--Si3N4各相陶瓷显微结构均匀，纳米SiC晶粒小，在Si3N4相中呈连续均匀状态分布，这样，在SiC相含量较少的情况下，就可使SiC--Si3N4复相陶瓷的性能达到要求。本发明SiC--Si3N4复相陶瓷经国家工业陶瓷检测中心的检测，其强度、断裂韧性指标分别高达1080MPa、8.12MPam1/2，且材料工程可靠性好，可以应用于陶瓷发动机部件。本发明的制备方法，科学合理，便于控制、操作，易于实施。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1将80％wt的Si3N4粉、1.0％wt的Y2O3粉、1.5％wt的Al2O3粉、18％wt的聚八甲基环四硅氮烷，置于Al2O3球磨罐中，采用二甲苯为溶剂，二甲苯的用量与聚八甲基环四硅氮烷的用量相当，基本上为1比1，用无水乙醇作为液体介质湿磨，用Si3N4质球进行混磨，球磨时间为36小时，再经1.5小时的超声分散处理，然后，将混合均匀的料浆烘干。将烘干后的粉料装入涂有BN粉的石墨模具中，在热压炉中热解热压烧结，烧结升温速度为45℃/分钟，烧结温度为1770～1790℃，烧结压力为35MPa，高温保温时间为1.5小时，烧结气氛为N275％vol，Ar25％vol，流量为1.0升/分钟。高温保温后自然冷却获得纳米SiC含量为5.0％wt的纳米SiC--Si3N4复相陶瓷。经国家工业陶瓷检测中心三点抗弯强度测试，其室温强度为898MPa，断裂韧性为7.92MPam1/2。
实施例2将60％wt的Si3N4粉、1.0％wt的Y2O3粉、1.5％wt的Al2O3粉、37.5％wt的聚八甲基环四硅氮烷，采取与实施例1相同的工艺条件，最后获得纳米SiC含量为10％wt的纳米SiC--Si3N4复相陶瓷。经测试，其室温强度为1080MPa，断裂韧性为8.12MPam1/2。
实施例3将40％wt的Si3N4粉、1.0％wt的Y2O3粉、1.5％wt的Al2O3粉、57.5％wt的聚八甲基环四硅氮烷，采取与实施例1相同的工艺条件，最后获得纳米SiC含量为14.5％wt的纳米SiC--Si3N4复相陶瓷。经测试，其室温强度为976Pa，断裂韧性为700MPam1/2。
实施例4采取与实施例1相同的工艺条件，将烧结反应气氛控制为N220％vol，Ar80％vol，最后获得纳米SiC含量为8.0％wt的纳米SiC--Si3N4复相陶瓷。经测试，其断裂韧性为7.96MPam1/2。
实施例5采取与实施例1相同的工艺条件，仅仅改变混料的分散工艺，采用强力搅拌机以11000转/分钟的转速搅拌，时间45分钟，再经超声波超声分散2.5小时，最后获得相应晶相组成及性能指标的纳米SiC--Si3N4复相陶瓷。
实施例6采取与实施例1相同的工艺条件，仅仅将溶解聚八甲基环四硅氮烷的溶剂改用乙酸乙酯，最后也可获得相应晶相组成及性能指标的纳米SiC--Si3N4复相陶瓷。
权利要求
1.一种碳化硅-氮化硅复相陶瓷，其特征在于其百分组成为Si3N476～86％wtSiC 5～15％wt其它氧化物1.0～9.0％wt
2.根据权利要求1所述的复相陶瓷，其特征在于其中的SiC是纳米级SiC。
3.根据权利要求1所述的复相陶瓷，其特征在于其中的其它氧化物为Y2O30.5～1.5％wtAl2O30.5～7.5％wt
4.根据权利要求1所述的复相陶瓷的制备方法，首先经配料、混料后，再高温烧结而制得，其特征在于具体步骤如下(1)配料Si3N440～80％wtY2O30.5～1.5％wtAl2O30.5～7.5％wt聚八甲基环四硅氮烷17～59％wt(2)混料将聚八甲基环四硅氮烷用有机溶剂溶解，与Si3N4粉、Y2O3粉、Al2O3粉分散均匀；(3)烘干将混合好的料烘干；(4)烧结将烘干后的混合粉料高温烧结烧结温度 1700～1800℃高温保温时间 0.5～2小时烧结压力 20～40MPa
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于溶解聚八甲基环四硅氮烷的有机溶剂为苯类或酯类有机物。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于混料的分散方式为先球磨或强力搅拌后再经超声分散。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于球磨为湿法球磨，液体介质为无水乙醇。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于超声波分散时间为1～5小时。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于烧结的升温速度为5～30℃/分钟。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于烧结反应气氛为N220～80％vol Ar20～80％vol
全文摘要
本发明属于特种陶瓷技术领域,具体为一种纳米碳化硅—氮化硅复相陶瓷及其制备方法,纳米碳化硅—氮化硅复相陶瓷中的纳米碳化硅相,通过有机物聚八甲基环四硅氮烷原位热解热压烧结工艺引入,碳化硅相含量少、晶粒小、在氮化硅相中呈连续均匀状态分布,该复相陶瓷室温、高温力学性能好,抗氧化性能好,经测试,其室温的抗弯强度达1080MPa,断裂韧性为8.12MPam
文档编号C04B35/565GK1172782SQ9710597
公开日1998年2月11日 申请日期1997年7月16日 优先权日1997年7月16日
发明者张伟儒, 李勇, 顾培芷 申请人:国家建筑材料工业局山东工业陶瓷研究设计院