氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法

摘要

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，由如下重量百分比的原料制成：金属硅粉70-90％，碳化铪6-22％，硼化锆2-5％，阿隆结合尖晶石1-3％。将上述原料和介质进行球磨得到混合均匀的料浆，料浆烘干、过筛，得到预成型粉料；将预成型粉料放在模具中压成素坯，并将素坯冷等静压处理，得到预烧结体；将预烧结体置入真空烧结炉中，通入氮气，烧结即得。本发明相比于气压烧结或热压烧结氮化硅及其复合陶瓷，具有更好的硬度、抗弯强度和断裂韧性，产品尺寸不收缩，半成品可加工，适合制备复杂形状产品，操作简便，可进行大规模工业化生产。

权利要求

1.一种氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于由如下重量百分比的原料制成：

2.根据权利要求1所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将上述原料和介质进行球磨得到混合均匀的料浆，将料浆烘干、过筛，得到预成型粉料；

(2)将预成型粉料放在模具中压成素坯，并将素坯冷等静压处理，得到预烧结体；

(3)将预烧结体置入真空烧结炉中，通入氮气，烧结即得。

3.根据权利要求2所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的介质是无水乙醇。

4.根据权利要求2所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的原料和介质的质量比是1:1.5-1.8。

5.根据权利要求2所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的球磨时间是16-24h。

6.根据权利要求2所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的烘干温度是60-80℃，烘干时间是10-16h。

7.根据权利要求2所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的过筛是过40-60目筛。

8.根据权利要求2所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的冷等静压处理的压力为150-180MPa，时间为1-3分钟。

9.根据权利要求2所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的烧结压力为0.02-0.5MPa，烧结温度为1550-1600℃，保温时间为6-10h。

说明书

氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法。

背景技术

[0002] 氮化硅陶瓷具有优异的高温力学性能，被公认为最具有发展前途的高温结构陶瓷材料之一。氮化硅属六方晶系，是由[SiN4]4-四面体共用顶角构成的三维空间网络，属共价键化合物，结构坚固，扩散系数小，没有熔融状态，约在1900℃分解成氮气和硅，难于烧结，其机械性能、高温性能和化学稳定性优良。通常氮化硅陶瓷有反应烧结、气压烧结和热压烧结。热压烧结致密度大，强度高，但热压炉膛容量小，电耗高，形状简单。气压炉比较热压炉，炉膛更大一些，但因气压很高，炉膛尺寸也受一定限制。况且，产品烧结易收缩变形，所以大规模生产复杂形状部件存在难度。而反应烧结氮化硅常压烧结，产品无收缩，可进行机械加工，尺寸精度易控制，生产工艺相对简单，可制备复杂形状部件，能够进行规模化生产。但该种烧结方式密度偏低，力学性能也受到影响。为改善力学性能，现有技术有在氮化硅中加入氮化硼、氧化锆、氧化钇辅助材料的制备方法，虽然比之纯反应烧结氮化硅有了提高，但仍未达到较理想的效果，因此，继续寻找一种提高反应烧结氮化硅复相陶瓷力学性能的方法，成为工程陶瓷的一个难点。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，操作简便，适合工业化生产，制得的产品无收缩，性能良好。

[0004] 本发明所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，由如下重量百分比的原料制成：

[0005]

[0006] 所述的原料是将中位径20-35微米含量99％的金属硅粉、中位径40-50微米含量为99.5％碳化铪、中位径5-10微米含量为98％的硼化锆和中位径40-50微米含量为99％阿隆结合尖晶石混合得到的。

[0007] 本发明所述的氮化硅-碳化铪复相陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

[0008] (1)将上述原料和介质进行球磨得到混合均匀的料浆，将料浆烘干、过筛，得到预成型粉料；

[0009] (2)将预成型粉料放在模具中压成素坯，并将素坯冷等静压处理，得到预烧结体；

[0010] (3)将预烧结体置入真空烧结炉中，通入氮气，烧结即得。

[0011] 步骤(1)中所述的介质是无水乙醇。

[0012] 步骤(1)中所述的原料和介质的质量比是1:1.5-1.8。

[0013] 步骤(1)中所述的球磨时间是16-24h。

[0014] 步骤(1)中所述的烘干温度是60-80℃，烘干时间是10-16h。

[0015] 步骤(1)中所述的过筛是过40-60目筛。

[0016] 步骤(2)中所述的冷等静压处理的压力为150-180MPa，时间为1-3分钟。

[0017] 步骤(2)中所述的素坯厚度是8-12mm。

[0018] 步骤(3)中所述的烧结压力为0.02-0.05MPa，烧结温度为1550-1600℃，保温时间为6-10h。

[0019] 本发明采用反应烧结工艺，以金属硅粉和碳化铪为基本原料，硼化锆、阿隆结合尖晶石为烧结助剂，在氮化炉中制备出完全氮化的复相陶瓷。

[0020] 作为重要相的HfC为难熔金属碳化物，具有优异的物理性能和化学性能，如高硬度，高熔点(3890度)，是已知单一化合物中熔点最高者。理论密度12.7g/cm3，热膨胀系数为6.073×10-6/℃，具有良好的热震稳定性和热力学稳定性，可与多种非氧化物形成固溶体；
它和Si3N4复合后做到了强强联合，显著提高了力学性能。

[0021] 本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

[0022] 本发明相比于气压烧结或热压烧结氮化硅及其复合陶瓷，具有更好的硬度、抗弯强度和断裂韧性，产品尺寸不收缩，半成品可加工，适合制备复杂形状产品，操作简便，可进行大规模工业化生产。

具体实施方式

[0023] 以下结合实施例对本发明做进一步描述。

[0024] 实施例1

[0025] (1)金属硅粉用质量浓度为8％的稀盐酸进行酸洗处理16h，然后用去离子水清洗并干燥，干燥温度80℃，得到备用的金属硅粉。将中位径20微米含量99％的金属硅粉700g、中位径50微米含量为99.5％碳化铪220g、中位径5微米含量为98％的硼化锆50g、中位径50微米含量为99％阿隆结合尖晶石30g和无水乙醇1500g装入球磨机中球磨16h，得到混合均匀的料浆，将料浆在60℃真空干燥箱内干燥10h，过40目筛，得到预成型粉料；

[0026] (2)将预成型粉料放在模具中压成厚度为8mm的素坯，并将素坯冷等静压处理，冷等静压处理的压力为150MPa，时间为3分钟，得到预烧结体；

[0027] (3)将预烧结体置入真空烧结炉中，通入99.99％纯度的氮气烧结，烧结压力为0.02MPa，烧结温度为1550℃，保温时间为10h，停炉后自然降温，得到成品。

[0028] 成品指标见表1。

[0029] 实施例2

[0030] (1)金属硅粉用质量浓度为10％的稀盐酸进行酸洗处理20h，然后用去离子水清洗并干燥，干燥温度100℃，得到备用的金属硅粉。将中位径25微米含量99％的金属硅粉780g、中位径40微米含量为99.5％碳化铪160g、中位径10微米含量为98％的硼化锆40g、中位径40微米含量为99％阿隆结合尖晶石20g和无水乙醇1600g装入球磨机中球磨20h，得到混合均匀的料浆，将料浆在70℃真空干燥箱内干燥13h，过50目筛，得到预成型粉料；

[0031] (2)将预成型粉料放在模具中压成厚度为10mm的素坯，并将素坯冷等静压处理，冷等静压处理的压力为160MPa，时间为1分钟，得到预烧结体；

[0032] (3)将预烧结体置入真空烧结炉中，通入99.99％纯度的氮气烧结，烧结压力为0.03MPa，烧结温度为1580℃，保温时间为8h，停炉后自然降温，得到成品。

[0033] 成品指标见表1。

[0034] 实施例3

[0035] (1)金属硅粉用质量浓度为12％的稀盐酸进行酸洗处理24h，然后用去离子水清洗并干燥，干燥温度90℃，得到备用的金属硅粉。将中位径35微米含量99％的金属硅粉840g、中位径45微米含量为99.5％碳化铪120g、中位径8微米含量为98％的硼化锆20g、中位径45微米含量为99％阿隆结合尖晶石20g和无水乙醇1800g装入球磨机中球磨24h，得到混合均匀的料浆，将料浆在80℃真空干燥箱内干燥16h，过60目筛，得到预成型粉料；

[0036] (2)将预成型粉料放在模具中压成厚度为12mm的素坯，并将素坯冷等静压处理，冷等静压处理的压力为180MPa，时间为2分钟，得到预烧结体；

[0037] (3)将预烧结体置入真空烧结炉中，通入99.99％纯度的氮气烧结，烧结压力为0.05MPa，烧结温度为1600℃，保温时间为6h，停炉后自然降温，得到成品。

[0038] 成品指标见表1。

[0039] 实施例4

[0040] (1)金属硅粉用质量浓度为12％的稀盐酸进行酸洗处理24h，然后用去离子水清洗并干燥，干燥温度95℃，得到备用的金属硅粉。将中位径35微米含量99％的金属硅粉880g、中位径48微米含量为99.5％碳化铪80g、中位径10微米含量为98％的硼化锆30g、中位径48微米含量为99％阿隆结合尖晶石10g和无水乙醇1800g装入球磨机中球磨24h，得到混合均匀的料浆，将料浆在80℃真空干燥箱内干燥16h，过60目筛，得到预成型粉料；

[0041] (2)将预成型粉料放在模具中压成厚度为12mm的素坯，并将素坯冷等静压处理，冷等静压处理的压力为180MPa，时间为3分钟，得到预烧结体；

[0042] (3)将预烧结体置入真空烧结炉中，通入99.99％纯度的氮气烧结，烧结压力为0.05MPa，烧结温度为1600℃，保温时间为6h，停炉后自然降温，得到成品。

[0043] 成品指标见表1。

[0044] 实施例5

[0045] (1)金属硅粉用质量浓度为12％的稀盐酸进行酸洗处理24h，然后用去离子水清洗并干燥，干燥温度100℃，得到备用的金属硅粉。将中位径35微米含量99％的金属硅粉900g、中位径50微米含量为99.5％碳化铪60g、中位径6微米含量为98％的硼化锆30g、中位径50微米含量为99％阿隆结合尖晶石10g和无水乙醇1800g装入球磨机中球磨24h，得到混合均匀的料浆，将料浆在80℃真空干燥箱内干燥16h，过60目筛，得到预成型粉料；

[0046] (2)将预成型粉料放在模具中压成厚度为12mm的素坯，并将素坯冷等静压处理，冷等静压处理的压力为180MPa，时间为3分钟，得到预烧结体；

[0047] (3)将预烧结体置入真空烧结炉中，通入99.99％纯度的氮气烧结，烧结压力为0.05MPa，烧结温度为1600℃，保温时间为6h，停炉后自然降温，得到成品。

[0048] 成品指标见表1。

[0049] 对比例1