一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料及其制备方法。该三元复合材料以镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末以及α‑氮化硅粉末为原料，通过制坯和烧结制得，其含有β‑氮化硅棒晶。本发明专利技术所设计的三元复合材料具有低密度、高强度、高断裂韧性、高介电常数、低膨胀系数、高热导率等特点。本发明专利技术制备工艺较为简单，玻璃熔化温度和复合材料的烧结温度较低，对环境友好，生产成本较低。制得的复合材料具有较好的应用前景，可部分替代现有的高温结构材料，使用在国防军工、电子器件、高热导率陶瓷基板以及高端陶瓷零部件等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料及其制备方法，属于陶瓷材料

技术介绍
氮化铝陶瓷具备诸多的优异性能，例如良好的导热、非常高的绝缘性等，因此它的应用十分广泛，如绝缘基片、散热基片、栅极绝缘层、压力传感器、化学灵敏元件、表面声波器件、绝缘埋层、基板材料、氮化镓外延衬底材料、研磨材料、耐磨损和抗腐蚀零件等。氮化铝陶瓷虽然具有非常优异的综合性能，但是在氮化铝陶瓷生产过程中仍受到许多技术因素的制约。氮化铝由于其自身特性，烧结温度高达1900℃以上，且目前商用氮化铝陶瓷材料的热导率距离其理论热导率还有很大的差距。而且，氮化硅陶瓷的力学性能(如抗弯强度约为300MPa)仍不够理想。因此，在降低氮化铝陶瓷烧结温度的同时研制出更高综合性能的氮化铝陶瓷，具有重要意义。氮化硅陶瓷具有优异的高温力学性能、良好的抗高温氧化性、抗高温蠕变性能、较低的热膨胀系数、良好的抗热冲击和抗化学侵蚀性，是一类很有应用前景的陶瓷基高温结构材料。现在氮化硅陶瓷在许多场合已经可代替多种合金及不锈钢材料，氮化硅可制成各种坩埚、密封环套、活塞、传动轴、柱塞泵缸套、工业炉炉衬、耐腐蚀板、高温支架等制品，并在化工、冶金、石油、建材、机械、有色金属等领域得到了广泛的应用。但目前氮化硅陶瓷材料主要采用热压烧结、气压烧结、热等静压烧结等方法制备，烧结温度一般高达1900℃以上。一方面，Si≡N高共价键特性导致烧结纯氮化硅陶瓷极其困难，高的烧结温度对设备提出了高要求；另一方面，为了实现氮化硅陶瓷的致密化及促进α-氮化硅向β-氮化硅相的转变，往往需要采用气压或热压烧结，从而导致氮化硅陶瓷制品的价格较为昂贵。因此，研究开发综合性能优异、制备工艺简单、成本低廉的新型耐高温陶瓷基复合材料就显得极为必要与紧迫。随着科技的发展，人们对氮化铝陶瓷的性能提出了更高的要求，为了使氮化铝陶瓷的力学性能一步提高，加入第二相粒子作为增强相来提高增强增韧的效果是一种常用手段。在复相陶瓷体系中，加入适量的氮化硅晶须可以显著提高材料强度。颗粒、晶须、纤维或晶片都是很好的增强相材料。氮化硅和氮化铝是陶瓷中很有发展前景的两类材料，它们在各自的领域都有着深广的研究基础和广阔的应用，氮化硅/氮化铝增强复合陶瓷的研究，对改善和提高其各自的物理性能具有十分重要的意义。在微米级尺度范围的颗粒增强复合材料，晶须及纤维补强复合材料已取得了较大进展。此外，玻璃/陶瓷复合材料体系是通过添加低熔点玻璃来实现的降低高温陶瓷材料的烧结温度的。玻璃、陶瓷的含量多少决定了复合材料的力学性能、介电性能、热膨胀性能。玻璃/陶瓷复合材料体系在一般情况下属于无反应的液相烧结。因为玻璃配方比较容易调节，所制备的复合材料也比较能满足要求。自生长β-氮化硅棒晶增强微晶玻璃复合材料是近十年来发展起来的新型制备工艺，其本质是通过科学的成分设计，合理的工艺条件，选取合适的制备方法获得具有增强增韧效果的微晶玻璃复合材料显微结构，从而提高材料的力学性能，但是现有技术中的晶须、纤维、棒晶增强微晶玻璃复合材料存在纤维与基体之间相容性不好、界面缺陷及热性能不匹配等问题。现有技术中并没有自生长的β-氮化硅增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料的方案及相关文献报道。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有低密度、高强度、高断裂韧性、高介电常数、低膨胀系数、高热导率等特点的自增强增韧氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料。本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其以镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末以及α-氮化硅粉末为原料，通过制坯和烧结制得；所述自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料含有β-氮化硅棒晶。作为优选方案，所述自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料为β-氮化硅棒晶自增强增韧氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料。作为优选方案，本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，所述原料中镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末、α-氮化硅粉末的质量百分比为：镧钡铝硅酸盐玻璃粉末占27.0～33.0％，氮化铝粉末占16.0～20.0％，α-氮化硅占47.0～57.0％。作为优选方案，本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其特征在于，所述镧钡铝硅酸盐玻璃以质量百分比计，包括下述组分：作为进一步的优选方案，本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，原料中镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末、α-氮化硅粉末的质量百分比为：镧钡铝硅酸盐玻璃粉末27.0～30.0％，氮化铝粉末16.0～20.0％，α-氮化硅53.0～57.0％；所述镧钡铝硅酸盐玻璃粉以质量百分比计有下述组分组成：作为更进一步的优选方案之一，本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，原料中镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末、α-氮化硅粉末的质量百分比为：镧钡铝硅酸盐玻璃粉末27.0％，氮化铝粉末16.0％，α-氮化硅57.0％；所述镧钡铝硅酸盐玻璃粉以质量百分比计有下述组分组成：作为更进一步的优选方案之一，本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，原料中镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末、α-氮化硅粉末的质量百分比为：镧钡铝硅酸盐玻璃粉末27.0％，氮化铝粉末20.0％，α-氮化硅53.0％；所述镧钡铝硅酸盐玻璃粉以质量百分比计有下述组分组成：作为优选方案，本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，所述镧钡铝硅酸盐玻璃由La2O3、BaCO3、Al2O3和SiO2原料在1560～1580℃高温下熔融得到。作为优选方案，本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，复合材料中的晶相组成为β-氮化硅、二硅酸镧、氮化铝和六方钡长石。一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料的制备方法，包括下述步骤：步骤一按设计组分配取La2O3、BaCO3、Al2O3、SiO2作为镧钡铝硅酸盐玻璃的原料，将配取的镧钡铝硅酸盐玻璃原料混合均匀后加热到1560～1580℃熔融2～3小时，水淬，得到玻璃碎渣，所得玻璃碎渣进一步粉碎，得到镧钡铝硅酸盐玻璃粉末；步骤二按设计组分配取氮化铝粉末和α-氮化硅粉；将步骤一所得镧钡铝硅酸盐玻璃粉末与配取的氮化铝粉末和α-氮化硅粉混合均匀后过400目筛，取筛下物混合均匀，装模，室温压制成型，得到坯体；所得坯体先干燥，再置于具有保护气氛的烧结炉中，升温到1610～1630℃，保温2～3小时，然后降温到1250～1270℃，保温3～5小时后随炉冷却，得到所述自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料。本专利技术一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料的制备方法，步骤二中，所述压制压力为30～50MPa，所述保护气氛选自氮气气氛、氩气气氛中的一种。本专利技术的技术优势和带来的有益技术效果：经过专利技术人大量研究发现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其特征在于，以镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末以及α‑氮化硅粉末为原料，通过制坯和烧结制得；所述自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料含有β‑氮化硅棒晶。

【技术特征摘要】
1.一种自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其特征在于，以镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末以及α-氮化硅粉末为原料，通过制坯和烧结制得；所述自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料含有β-氮化硅棒晶。2.根据权利要求1所述的自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其特征在于：所述原料中镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末、α-氮化硅粉末的质量百分比为：镧钡铝硅酸盐玻璃粉末占27.0～33.0％，氮化铝粉末占16.0～20.0％，α-氮化硅占47.0～57.0％。3.根据权利要求1所述的自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其特征在于，所述镧钡铝硅酸盐玻璃以质量百分比计，包括下述组分：4.根据权利要求1所述的自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其特征在于，原料中镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末、α-氮化硅粉末的质量百分比为：镧钡铝硅酸盐玻璃粉末27.0～30.0％，氮化铝粉末16.0～20.0％，α-氮化硅53.0～57.0％；所述镧钡铝硅酸盐玻璃粉以质量百分比计由下述组分组成：La2O322.0～25.0％，BaO8.0～10.0％，Al2O39～11.0％，SiO255.0～60％。5.根据权利要求4所述的自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其特征在于，原料中镧钡铝硅酸盐玻璃粉末、氮化铝粉末、α-氮化硅粉末的质量百分比为：镧钡铝硅酸盐玻璃粉末27.0％，氮化铝粉末16.0％，α-氮化硅57.0％；所述镧钡铝硅酸盐玻璃粉以质量百分比计有下述组分组成：6.根据权利要求4所述的自增强增韧的氮化硅/氮化铝/镧钡铝硅酸盐微晶玻璃三元复合材料，其特征在于，原料...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗志伟，张静，卢安贤，刘建磊，宋俊，韩磊，于静波，张骞，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43