本发明属于材料制备工艺技术领域，具体涉及一种高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷及其制备方法。
背景技术：
随着现代科学技术的发展，各种零部件的使用条件愈加苛刻（如高温、强腐蚀等），对新材料的研究和应用提出了更高的要求，传统的金属材料由于自身耐高温、抗腐蚀性能差等弱点已难以满足科技日益发展对材料性能的要求，现亟待开发新材料。由于陶瓷材料的出现可以克服传统材料的不足而越来越被研究人员关注，经过努力研究，在陶瓷的制备工艺和性能方面的研究已取得很大的进步，氧化锆是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损而且具有优良绝缘性能的无机非金属材料，20世纪20年代初即被应用于耐火材料领域，同时氧化锆也是国家产业政策中鼓励重点发展的高性能新材料之一，目前正广泛地被应用于各个行业中。同时，si3n4陶瓷的优越性能逐步得到了人们的广泛认可，就其结构、性能、烧结及应用已经开始系统的研究，氮化硅（si3n4）陶瓷是无机非金属强共价键化合物，其基本结构单元为[sin4]四面体，硅原子位于四面体的中心，四个氮原子分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个硅原子的形式在三维空间形成连续而又坚固的网络结构，氮化硅的许多性能都是因为其具有这种特殊的结构，因此si3n4结构中氮原子与硅原子间结合力很强，其作为一种高温结构陶瓷，素有陶瓷材料中的“全能冠军”之称，氮化硅陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好，可耐氧化到1400℃、热腐蚀性能好，能耐大多数酸侵蚀，摩擦系数小，与用油润滑的金属表面相似等优异性能，已在许多工业领域获得广泛应用，并有很多潜在用途。
中国专利200810159024.6提供了一种氧化锆增强氮化硅/石英基陶瓷复合材料，属于特种陶瓷技术领域，其配料重量百分组成为：石英粉60-80％、氮化硅粉10-30％、纳米陶瓷粉2-15％、烧结助剂1-10％和氧化锆粉5-20％；采用去离子水作为分散介质，氮化硅陶瓷球作为研磨介质，在聚氨酯球磨罐中将配料混磨10-20h，制作成粒径为100-500μm的成型颗粒料，压制成型制成素坯，在氮气气氛保护下无压烧成。
中国专利201210365334.x提供了一种含氧化锆颗粒与氮化硅晶须的碳化钨复合材料及制备方法，该碳化钨复合材料按下述质量百分比配比原料粉末：wc=60-94％，3y-zro2=1～20％，α-si3n4=4.6～17.6％，y2o3=0.1～1.2％，al2o3=0.1～1.2％，其中y2o3+al2o3≥0.4％；将上述原料粉末置于醇类溶剂或水中进行湿式低能球磨，制得混合浆料，然后烘干、碾碎、过筛，最后采用放电等离子烧结技术进行成型和烧结。
中国专利201110383258.0提供了一种氮化硅坩埚，该种坩埚自外向内依次为氮化硅外壁层，富硅层，氮化硅内壁层，氧化锆涂层。其中外壁层可以替代石墨坩埚在高温下起支撑作用，内壁层可以抵抗一定量的热冲击，富硅层在高温下处于软化状态并且气孔率较高，当热冲击传到此处时，通过气孔的压缩和一定的形变将其释放，极大的增强了氮化硅坩埚的抗热冲击能力。氧化锆涂层形成了防粘结层，有效地解决了硅料凝固时与坩埚内壁的粘连问题，使坩埚的重复使用成为可能。
中国专利200410023952.1提供了一种陶瓷透波材料及其制备方法，为特种、功能陶瓷材料技术领域，由亚微米高纯氮化硅、氮化硼、氧化锆以及纳米二氧化硅粉体配制而成，配料后将各原料采用超声波和化学分散方法实现均匀混合，采用冷等静压成型方法成型，在氮气气氛压力下高温烧结制成。本发明氮化硅-氮化硼-二氧化硅陶瓷透波材料技术性能指标为：室温抗弯强度σ：99-286mpa，弹性模量e：99-200gpa，介电常数ε：3.4-4.8，透波率80-85％，耐温性大于2500℃，线烧蚀率为0.01-0.05毫米/秒。
中国专利201410420126.4提供了一种耐高温陶瓷材料及其制备方法，包括以下按重量份数计的原料：碳化钨为25-38份，氧化锆为12-26份，氮化硅为10-15份，硼氢化钠为16-24份，氧化硅为10-13份，环己烷为26-28份，该专利采用冷压成型配合烧结的方法制成。
现有的专利均没有针对氧化锆及氮化硅两种材料进行结合的制备，并进行细化拓展，使得应用领域也相对狭窄。
技术实现要素：
为了解决现有技术在高端精密设备用高强度陶瓷绝缘件使用中无法满足要求的情况，本发明提供了一种全新的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷及其制备方法。本发明的目的在于克服现有技术的缺点，并提供一种介电常数可调，价格低廉的氧化锆复合绝缘材料，提供高纯钇稳定氧化锆与氮化硅、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁中的至少一种复合的绝缘陶瓷制备方法，采用纳米级钇稳定氧化锆粉与纳米氮化硅粉、纳米氧化铝粉、纳米氧化硅粉、纳米氧化钛粉、纳米氧化镁粉中的至少一种用高能球磨的办法对粉末进行球磨混合，然后将混合粉放入石墨模具中进行热压烧结处理，本发明具有高致密绝缘性好低成本的优点，本发明不仅工艺和设备简单，成本低，收率高，能耗低，生产效率高，适合工业化生产，而且能够获得质量稳定、晶粒细小可控的氧化锆复合绝缘陶瓷，本发明过程无坏境污染，是一种新型的低成本、质量稳定的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的制备方法。
本发明所述的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷相对密度为98%~100%，主元素纯度为99.9%~99.999%，抗弯强度为200~1000mpa，介电常数为1~50，晶粒尺寸为0.5~20微米，维氏硬度为hv2000~10000。
优选地，所述的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的相对密度为98.5%~99.5%。
优选地，所述的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的主元素纯度为99.99%~99.999%。
优选地，所述的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的抗弯强度为400~800mpa。
优选地，所述的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的介电常数为4~20。
优选地，所述的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的晶粒尺寸为1~5微米。
优选地，所述的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的维氏硬度为hv2500~9000。
本发明所述的高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的主元素为氧化锆、氧化钇、氮化硅、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁，所述的主元素纯度为主元素重量与总重量的重量百分比。
为了达到上述使用要求，本发明使用的技术方案为高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷的制备方法，所述方法的具体步骤如下。
（1）按一定的比例称取纳米级的钇稳定氧化锆粉与纳米氮化硅粉、纳米氧化铝粉、纳米氧化硅粉、纳米氧化钛粉、纳米氧化镁粉中的至少一种，将所有纳米粉放入球磨罐中，用高能球磨机进行高能球磨处理。
（2）将步骤（1）中球磨好的混合粉放入高纯石墨模具中进行热压烧结处理。
（3）将步骤（2）中获得的烧结好的陶瓷取出，加工成为需要的尺寸。
（4）测量步骤（3）中氧化锆氮化硅复合陶瓷的密度、纯度、介电常数、晶粒尺寸、抗弯强度及硬度。
本发明为高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷及其制备方法，为了让本发明有效，需要对上述步骤进行细化，具体细化参数如下。
步骤（1）中，选用的钇稳定氧化锆粉中氧化钇的摩尔百分比为3~10%。
步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的重量百分比为10%~100%，余量为氮化硅、氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁中的至少一种。
步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的一次粒径为1~100纳米。
步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氮化硅粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氮化硅粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氧化铝粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氧化铝粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氧化硅粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氧化硅粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氧化钛粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氧化钛粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氧化镁粉的一次粒径为10~500纳米。
步骤（1）中，所述的氧化镁粉的纯度为99.9%~99.999%。
步骤（1）中，所述的氮化硅粉的重量百分比为1~50%。
步骤（1）中，所述的氧化铝粉的重量百分比为1~20%。
步骤（1）中，所述的氧化硅粉的重量百分比为1~20%。
步骤（1）中，所述的氧化钛粉的重量百分比为1~20%。
步骤（1）中，所述的氧化镁粉的重量百分比为1~20%。
步骤（1）中，所述的高能球磨处理时间为2~24小时。
步骤（1）中，所述的高能球磨罐中放入氧化锆球磨球。
优选地，步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉中氧化钇的摩尔百分比为3~5%。
优选地，步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的重量百分比为10%~60%，余量为氮化硅、氧化铝、氧化硅中的至少一种。
优选地，步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的一次粒径为10~40纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的钇稳定氧化锆粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氮化硅粉的一次粒径为100~400纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的氮化硅粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化铝粉的一次粒径为100~500纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化铝粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化硅粉的一次粒径为100~400纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化硅粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化钛粉的一次粒径为100~400纳米
优选地，步骤（1）中，所述的氧化钛粉的纯度为99.99%~99.999%
优选地，步骤（1）中，所述的氧化镁粉的一次粒径为100~400纳米。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化镁粉的纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（1）中，所述的氮化硅粉的重量百分比为10~30%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化铝粉的重量百分比为5~10%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化硅粉的重量百分比为5~10%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化钛粉的重量百分比为5~10%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化镁粉的重量百分比为5~10%。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化铝粉为三氧化二铝粉。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化硅粉为二氧化硅粉。
优选地，步骤（1）中，所述的氧化钛粉为二氧化钛粉。
优选地，步骤（1）中，所述的高能球磨处理时间为2~6小时。
步骤（2）中，所述的高纯石墨模具纯度为99.9%~99.999%。
步骤（2）中，所述的高纯石墨模具中需要放入氧化锆陶瓷纸将石墨模具与粉体隔离。
步骤（2）中，所述的高纯石墨模具放入热压炉前需要预压1~10mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理温度为1200~1500度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理时间为0.5~4小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理压力为20~80mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温速率为50~200度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温速率为10~80度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理前对热压炉进行抽真空并充入氩气保护至少三次。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理前对热压炉进行抽真空的目标压力为0.05~0.2atm。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的对热压炉进行抽真空后的充氩气目标压力为0.6~1atm。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段有三个阶段。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标温度为600~800度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的升温速率为100~200度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标保温时间为0.5~2小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标压力为1~10mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的升压速率为0.05~0.2mpa/分。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标温度为850~1100度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的升温速率为50~100度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标保温时间为0.5~2小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标压力为15~25mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的升压速率为0.05~0.2mpa/分。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标温度为1200~1500度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的升温速率为50~100度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标保温时间为0.5~4小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标压力为25~80mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的升压速率为0.1~0.5mpa/分。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段有二个阶段。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的目标温度为800~1000度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的降温速率为10~50度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的泄压目标压力为1~10mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的泄压速率为0.2~1mpa/分。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的目标温度为20~80度。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的降温速率为10~80度/小时。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的泄压目标压力为0mpa。
步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的泄压速率为0.2~1mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的高纯石墨模具纯度为99.99%~99.999%。
优选地，步骤（2）中，所述的高纯石墨模具放入热压炉前需要预压5~10mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理温度为1300~1500度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理时间为1~2小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的处理压力为25~60mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温速率为50~100度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温速率为10~50度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理前对热压炉进行抽真空并充入氩气保护循环次数为3~4次。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理前对热压炉进行抽真空的目标压力为0.05~0.1atm。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的对热压炉进行抽真空后的充氩气目标压力为0.6~0.8atm。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标温度为700~800度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的升温速率为100~150度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标保温时间为0.5~1小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的目标压力为5~10mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第一阶段的升压速率为0.05~0.1mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标温度为950~1050度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的升温速率为50~80度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标保温时间为0.5~1小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的目标压力为20~25mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第二阶段的升压速率为0.05~0.1mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标温度为1300~1500度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的升温速率为50~80度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标保温时间为1~2小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的目标压力为25~60mpa。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的升温阶段的第三阶段的升压速率为0.2~0.5mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的目标温度为800~900度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的降温速率为20~40度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的泄压目标压力为5~10mpa
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第一阶段的泄压速率为0.5~1mpa/分。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的目标温度为20~50度。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的降温速率为10~40度/小时。
优选地，步骤（2）中，所述的热压烧结处理的降温阶段的第二阶段的泄压速率为0.5~1mpa/分。
步骤（4）中，所述的密度测量仪器为阿基米德排水法固体密度检测仪。
步骤（4）中，所述的纯度检测仪器为电感耦合等离子体原子发射光谱仪。
步骤（4）中，所述的介电常数测量仪器为介电常数测量仪。
步骤（4）中，所述的晶粒尺寸测量仪器为扫描电子显微镜。
步骤（4）中，所述的抗弯强度测量仪器为三点弯曲测量试验机。
步骤（4）中，所述的硬度测量仪器为维氏硬度计。
步骤（4）中，所述的氧化锆氮化硅复合陶瓷的相对密度为99~100%。
步骤（4）中，所述的氧化锆氮化硅复合陶瓷的纯度为99.9~99.999%。
步骤（4）中，所述的氧化锆氮化硅复合陶瓷的介电常数为1~50。
步骤（4）中，所述的氧化锆氮化硅复合陶瓷的晶粒尺寸为0.5~20微米。
步骤（4）中，所述的氧化锆氮化硅复合陶瓷的抗弯强度为200~1000mpa。
步骤（4）中，所述的氧化锆氮化硅复合陶瓷的硬度为hv2000~20000。
具体实施方式
本发明涉及一种高纯高强度氧化锆氮化硅复合陶瓷及其制备方法，具体实施步骤如下。
（1）选用氧化钇摩尔含量为3%的钇稳定氧化锆粉，钇稳定氧化锆粉的纯度为99.995%，钇稳定氧化锆粉的一次粒径为28纳米，钇稳定氧化锆粉的重量百分比为70%，选取氮化硅粉的纯度为99.99%，氮化硅粉的一次粒径为208纳米，氮化硅粉的重量百分比为20%，选取二氧化硅粉的纯度为99.999%，二氧化硅粉的一次粒径为112纳米，二氧化硅粉的重量百分比为5%，选取二氧化钛粉的纯度为99.999%，二氧化钛粉的一次粒径为102纳米，二氧化钛粉的重量百分比为5%，将四种粉体与氧化锆球磨球一起放入球磨罐中进行高能球磨5小时。
（2）将步骤（1）中球磨混合好的混合粉放入纯度为99.999%的石墨模具中，粉体与石墨间用氧化锆陶瓷纸隔开，放入热压炉前预压10mpa，放入热压炉后，抽真空至0.1atm，充入0.9atm的氩气，循环四次，最有一次充入0.5atm的氩气，开始进行第一阶段升温至800度，升温速率为100度/小时，升压速率为0.1mpa/分，目标压力为8mpa，保温保压时间为0.5小时，然后进行第二阶段升温至1000度，升温速率为50度/小时，升压速率为0.1mpa/分，目标压力为24mpa，保温保压时间为0.5小时，然后进行第三阶段升温至1450度，升温速率为50度/小时，升压速率为0.4mpa/分，目标压力为60mpa，保温保压时间为4小时，然后进行第一阶段降温泄压，第一阶段泄压目标温度为900度，降温速率为40度/小时，泄压目标压力为10mpa，泄压速率为1mpa/分，然后进行第二阶段降温泄压，第二阶段降温目标温度为30度，降温速率为30度/小时，泄压速率为1mpa/分。
（3）将步骤（2）中达到出炉温度的氧化锆氮化硅复合陶瓷取出，加工成为圆片。
（4）测量步骤（3）中氧化锆氮化硅复合陶瓷的相对密度为98.9%，纯度为99.9907%，介电常数为7.9，晶粒大小为8.1微米，抗弯强度为441mpa，硬度为hv7718。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。