[發明專利]一種致密化氮化硅陶瓷材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310471305.6
• 申請日: 2013-10-11
• 公開（公告）號: CN103553632A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 張輝;呂毅;王濤;余娟麗;余悠然;張天翔;趙英民;裴雨辰
• 申請（專利權）人: 航天特種材料及工藝技術研究所
• 主分類號: C04B35/584
• 分類號: C04B35/584;C04B35/622
• 代理公司: 暫無信息
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技術領域

本發明涉及一種致密化氮化硅陶瓷材料的制備方法，屬于特種、功能陶瓷材料技術領域。

背景技術

隨著航空航天技術的發展，飛行器的飛行馬赫數不斷提高，對陶瓷材料的性能提出了更高要求，傳統陶瓷材料不能滿足以上綜合要求，高性能陶瓷及陶瓷基復合材料成為各國研究的重點。其中，氮化硅具有高強度、高硬度、抗熱震等一系列優良性能，其成型方法和加工工藝成為科研單位研究的熱點之一。

目前，致密氮化硅陶瓷材料的制備方法主要有以下幾種：(1)熱壓法，將氮化硅粉末與燒結助劑充分混合后置于石墨模具中，一面用高頻電流加熱石墨模具或通過發熱體直接加熱原料，一面對其加壓燒結。熱壓法可得到致密度大于95.0％的高強氮化硅陶瓷。但這種方法只能制造形狀簡單的制品，而且由于單向加壓，使性能在與熱壓面平行及垂直方向有異。(2)熱等靜壓法，將氮化硅成型坯放在高壓釜中，用氮氣作為壓力傳遞的介質，在高溫高壓下使素坯致密化。使用熱等靜壓所得制品性能優于其它方法制備氮化硅，但熱等靜壓工藝復雜，模具材料要求高，能源消耗大，生產控制要求嚴，生產效率較低。(3)氣壓燒結法，該方法是將氮化硅坯體放入5～12MPa的氮氣中于1800～2100℃下進行燒結。較高的氮氣壓力有效地抑制了氮化硅的分解，可以以更高的溫度對其進行燒結，而且有利于選用能形成高耐火度晶間相的燒結助劑，來提高材料的高溫性能。但氣壓燒結過程及設備復雜，能源消耗大，生產成本高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術不足，提供了一種工藝過程及設備簡單、生產成本低、效率高、燒結體性能優異的致密化氮化硅陶瓷材料的制備方法。

本發明的技術解決方案：一種致密化氮化硅陶瓷材料的制備方法，通過以下步驟實現：

第一步，采用氨基硅烷偶聯劑對氮化硅陶瓷粉體進行表面修飾，得到氨基氮化硅陶瓷粉體；

氨基硅烷偶聯劑對氮化硅陶瓷粉體進行表面修飾，使氮化硅陶瓷粉體表面含有氨基，在后續制備漿料的步驟中，能提高氮化硅陶瓷粉體在去離子水中的分散性，得到高固含量(固含量≥60％，固含量＝陶瓷粉體質量/(陶瓷粉體與去離子水的總質量)，陶瓷粉體由氨基氮化硅陶瓷粉體和燒結助劑組成)的陶瓷漿料。氨基硅烷偶聯劑采用常用的偶聯劑種類，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-氨丙基三甲氧基硅烷等。

本發明對氮化硅陶瓷粉體沒有特殊要求，能滿足工程應用要求即可，氮化硅陶瓷粉體的粒徑分布在0.1～2.0μm，平均粒徑為0.5μm。氮化硅粉體純度大于98.0wt％，其中α-Si₃N₄含量不低于93.0wt％。0.5μm氮化硅陶瓷粉體中可以添加其他粒徑尺寸的氮化硅粉體進行顆粒級配，包括0.3、0.5、1.0、5.0μm中的一種或幾種。

氨基氮化硅陶瓷粉體通過以下步驟實現，

A1.1、用有機溶劑配制氨基硅烷偶聯劑稀釋液；

有機溶劑為常規種類，如乙醇、乙二醇等，配制成稀釋液是為了降低氨基硅烷偶聯劑粘度，提高工藝性，工程上根據實際粘度和工藝性選擇合適濃度，氨基硅烷偶聯劑稀釋液濃度一般為20～50％。

A1.2、將一定量的氮化硅陶瓷粉體加入到步驟A1.1配制的氨基硅烷偶聯劑稀釋液中，在一定溫度下反應一定時間，得到氨基氮化硅陶瓷溶液；

氨基硅烷偶聯劑占氮化硅陶瓷粉體質量的10％～25％，在表面修飾過程中氨基硅烷偶聯劑加入太少，起不到修飾作用，氨基硅烷偶聯劑加入太多，粘度太高，影響工藝性。氨基硅烷偶聯劑添加量在10％～25％范圍內變化時，最終制品的密度、致密度和強度隨之增加呈現出先增加后減小的趨勢，在氫基硅烷偶聯劑添加量為20％時各項性能最優。在加熱的條件下對氮化硅陶瓷粉體進行表面修飾，反應溫度和時間只要保證能完成反應即可，工程上一般采用反應溫度為70～90℃，反應時間為3～6小時。

A1.3、真空干燥氨基氮化硅陶瓷溶液制得氨基氮化硅陶瓷粉體。

在加熱條件下進行真空干燥，可以縮短干燥時間，干燥溫度和時間保證氨基氮化硅陶瓷粉體充分干燥即可，工程中一般取干燥溫度為70～90℃，時間不少于20小時。

第二步，制備陶瓷料漿，

將第一步得到氨基氮化硅陶瓷粉體、燒結助劑與去離子水和分散劑球磨共混制得陶瓷料漿，采用氨水調節陶瓷料漿PH值至10～11；

燒結助劑為二氧化硅、氧化鋁、氧化釔或氧化鐿陶瓷粉體中的一種或幾種混合。燒結助劑的粒徑小于5μm，粉體純度不低于99.0％。氨基氮化硅陶瓷粉體為80.0～90.0wt％，燒結助劑10.0～20.0wt％，燒結助劑添加量是本領域常規比例。