[其他]重燒結氮化硅陶瓷制備方法

在審

• 申請號: 101985000000506
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85100506B
• 公開（公告）日: 1987-08-12
• 發明（設計）人: 莊漢銳;華道權;李文蘭;鄔鳳英;符錫仁;嚴東生
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 代理公司: 中國科學院上海專利事務所
• 代理人: 潘振蘇;聶淑儀

一種重燒結氮化硅是由硅粉和釔鋁石榴石，或在此基礎上再添加一種或多種少量輔助添加物組成壓塊在１２００～１５００℃經多階段氮化，制成反應燒結氮化硅，然后埋入由Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ和ＳｉＯ₂組成的埋料重燒結而成的，所得材料強度高，斷裂韌性好、硬度高，可用于制造柴油機用陶瓷部件。釔鋁石榴石添加量一般為５～３５％（重量），優先推薦的是１０～２０％（重量），重燒結溫度范圍１６５０～１９５０℃（最佳范圍為１７５０～１８５０℃），保溫０．５～１０小時。

本發明屬于氮化硅陶瓷及制備工藝。

氮化硅陶瓷是制造絕熱柴油機和燃氣輪機耐熱部件的最有希望的候選材料之一，用重燒結方法制備氮化硅材料兼有熱壓方法和反應燒結方法，二者的優者-能制造形狀復雜、性能良好的材料。

一般的重燒結氮化硅材料是采用MgO、Y₂O₃為添加物，首先制成反應燒結氮化硅，然后再在高溫下進行重燒結。美國專利4，351，787報導用MgO、Y₂O₃為添加物，由于高溫下MgO的蒸汽壓較高，易向外擴散，從而工藝難于控制，產品密度較低，氣孔達5～10%，嚴重影響材料的性能。雖然亦采用了一系列補救辦法，如用同組分填料進行重燒結，材料性能有所改善（如美國專利4，354，990）但制品成本增加，不宜推廣生產。

本發明的目的在于提供一種制備性能良好而又適合工業生產的制備工藝。

本發明采用Y₂O₃和Al₂O₃的化合物-釔鋁石榴石為添加物，或在此基硅上再添加一種或多種輔助添加物，如TiO₂、ZrO₂、CeO₂等。釔鋁石榴石的添加量一般為3～35%（重量），優先推薦的添加量10～20%（重量），輔助添加物的添加量為0.1～10%（重量），其余為純度大于97.5%的硅粉，硅粉粒度分布范圍在0.1～20μm之間，硅粉和添加物經混合后用于壓等靜壓、擠壓或注射成型等任意一種工藝制成素坯壓塊（壓塊密度大于1.5g/cm³），接著在N₂、Ar、H₂的混合氣氛中于1200～1500℃經40～80小時多階段氮化制成反應燒結氮化硅材料。然后，將此材料埋入組分為Si₃N₄70～98%（重量）、BN1～30%（重量）SiO₂0.1～10%（重量）的粉末床中，在N₂氣氛中于1650～1950℃下重燒結，保溫時間0.5～10小時，最佳溫度范圍是1750～1850℃。

用本發明所述的方法制備的重燒結氮化硅材料具有性能穩定，工藝重復性好以及可制備形狀較復雜的部件等優點，明顯地克服了先前采用MgO、Y₂O₃為添加物的重燒結Si₃N₄材料性能不穩定，氣孔率高的缺點，用本發明方法制備的柴油機用預燃室鑲塊、噴嘴、絕熱柴油機部件均具有良好的性能。

本發明的最佳實施例是將純度高于97.5%的硅粉80%（重量）和20%（重量）釔鋁石榴石（3Y₂O₃·Al₂O₃）粉末混合，硅粉最大顆粒直徑為20μm，平均粒徑3.5μm，采用等靜壓方法成型，單位面積壓力為2000公斤，在N₂、Ar、H₂的混合氣體中于1250～1450℃經加熱保溫62小時多階段氮化制成反應燒結氮化硅，在各種溫度下的具體保溫時間如下：1250℃保溫8小時;1320℃保溫2小時;1350℃保溫32小時;1450℃保溫20小時。

制得的反應燒結氮化硅密度為2.6克/厘米³，主要為（β+α）相，然后埋入填料中于1800℃保溫3小時重燒結，填料配方（重量百分比）：Si₃N₄86，BN10，SiO₂4。在燒結加溫前必須先抽真空至10^-2，然后充氮氣至760乇。所得的試樣性能如下：