一种Si3N4陶瓷及其制备方法技术

技术编号:18999244 阅读:29 留言:0更新日期:2018-09-22 04:57
本申请属于陶瓷技术领域,具体涉及一种Si3N4陶瓷及其制备方法。本发明专利技术提供的Si3N4陶瓷包括:硅粉、氮化催化剂和烧结助剂;硅粉经氮化催化剂氮化处理后生成Si3N4,氮化催化剂与硅粉的质量比为(1~20):(80~99);氮化催化剂选自ZrO2、TiO2或Eu2O3;烧结助剂为MgO和Re2O3,Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。制备时,依次进行配料混合、制粒、形成陶瓷浆料,再依次光固化成型、脱脂、氮化处理和高温烧结,即可。因而,本申请技术方案通过利用硅粉氮化体积膨胀对样品收缩进行补偿,实现了复杂形状氮化硅陶瓷净尺寸成型,原材料来源广,制备成本低,方法简便。

Si3N4 ceramic and preparation method thereof

The application belongs to the ceramic technical field, in particular to a Si3N4 ceramic and a preparation method thereof. The Si3N4 ceramics provided by the invention include: silicon powder, nitriding catalyst and sintering aids; silicon powder is nitrided to form Si3N4 after nitriding catalyst; the mass ratio of nitriding catalyst to silicon powder is (1-20): (80-99); the nitriding catalyst is selected from ZrO2, TiO2 or Eu2O3; the sintering aids are MgO and Re2O3; and Re is selected from Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd. , Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb or Lu. During preparation, the ceramic slurry is prepared by mixing ingredients, granulating and then by light curing, degreasing, nitriding and high temperature sintering. Therefore, the technical proposal in this application compensates the shrinkage of the sample by using the volume expansion of silicon powder nitriding, realizes the net size forming of complex shape silicon nitride ceramics, has a wide source of raw materials, a low preparation cost and a simple method.

【技术实现步骤摘要】
一种Si3N4陶瓷及其制备方法
本专利技术属于陶瓷
,具体涉及一种Si3N4陶瓷及其制备方法。
技术介绍
Si3N4陶瓷材料作为一种结构材料,具有优异的力学性能,例如高硬度、高强、耐磨、耐高温、物理化学稳定性等优异性能,可广泛应用于结构件、催化剂载体、过滤材料和散热材料等多个方面。然而,正是因为其优异的力学性能限制了其加工的多样性,如果仅仅依靠传统的加工工艺无法得到具有复杂形状的陶瓷材料,难以满足对个性化、精细化、轻量化和复杂化的高端产品快速制造的需求,限制了高性能陶瓷产品的开发与应用。因而,开发一种可获得任意复杂形状的陶瓷材料的成型工艺具有巨大的应用场景。目前,Si3N4陶瓷的主流成型工艺为增材制造工艺,但其在烧结后样品出现收缩的现象,严重影响到陶瓷制备的精度。为了解决该方法,常规的做法是:通过估算陶瓷烧结后的收缩率,在设计模型时进行补偿。然而,该法不仅实施起来比较复杂,而且需要保证样品能在三维方向均匀收缩,更严重的是收缩太严重可能破坏其最终结构,产生裂纹或者鼓包。
技术实现思路
为了解决上述技术问题,本专利技术的目的在于提供一种Si3N4陶瓷及其制备方法,其具体技术方案如下:一种Si3N4陶瓷,其制备原材料包括:硅粉、氮化催化剂和烧结助剂;所述硅粉经所述氮化催化剂氮化处理后生成Si3N4,所述氮化催化剂与硅粉的质量比为(1~20):(80~99);所述氮化催化剂选自ZrO2、TiO2或Eu2O3;所述烧结助剂为MgO和Re2O3,所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。优选的,所述Si3N4和烧结助剂的质量比为(80~99):(1~20)。优选的,所述MgO和Re2O3的质量比为(30~60):(40~70)。优选的,所述硅粉和所述氮化催化剂的质量比为95∶5,所述Si3N4和烧结助剂的质量比为90∶10,所述MgO和Re2O3的质量比为55∶45。一种上述Si3N4陶瓷的制备方法,包括以下步骤:a)按配比称取硅粉、氮化催化剂和烧结助剂,混合球磨,得到混合粉体;b)将步骤a)的混合粉体与分散剂混合,进行喷雾制粒,得到球形颗粒;c)将步骤b)的球形颗粒与预混溶剂混合,得到陶瓷浆料;d)将步骤c)的陶瓷浆料置于预置光源波长下进行光固化成型,脱脂,得到脱脂坯体;e)将步骤d)的脱脂坯体以第一升温速率升温至第一温度,在氮气气氛下进行氮化处理,得到氮化产物;将所述氮化产物以第二升温速率升温至第二温度进行烧结,得到所述Si3N4陶瓷。优选的,步骤e)所述氮气气氛的压力为5MPa~10MPa。优选的,步骤e)所述第一升温速率为20℃/min,所述第一温度为1250℃~1600℃,保温时间为0.5h~24h;所述第二升温速率为10℃/min,所述第二温度为1600℃~2000℃,保温时间为0.5h~24h。优选的,所述陶瓷浆料中所述球形颗粒的体积百分比含量为45%~70%;所述硅粉的纯度为95%~100%,粒径小于10μm。优选的,所述分散剂选自油酸、硬脂酸、聚乙烯吡咯烷酮、六偏磷酸钠、聚丙烯酸钠、酯基季铵盐和聚乙二醇辛基苯基醚中的至少一种。优选的,所述混合粉末与分散剂的混合质量比为(95~99.99):(0.01~5)。综上所述,本专利技术提供了一种Si3N4陶瓷,其制备原材料包括:硅粉、氮化催化剂和烧结助剂,氮化催化剂与Si的质量比为(1~20):(80~99),氮化催化剂为ZrO2、TiO2或Eu2O3,烧结助剂为MgO和Re2O3。在氮源存在的高温条件下,氮化催化剂可加快硅粉氮化速率,硅粉在经过氮化处理后体积膨胀,可对烧结成型会发生收缩的样品进行补偿,使得产品的尺寸在陶瓷浆料固含量稳定的情况下不变,保证陶瓷样品的精度。在制备上述Si3N4陶瓷时,通过将硅粉、氮化催化剂和烧结助剂的混合物混合球磨,然后喷雾制粒,获得具有恰当粒径范围和良好球形度的球形颗粒,流动性良好,成型性能优异;然后,将球形颗粒与预混溶剂混合形成陶瓷浆料,依次经过光固化成型、脱脂,得到脱脂坯体;接着,脱脂坯体依次进行氮化处理和烧结,即得具有高致密度、尺寸稳定且形状复杂的氮化硅陶瓷。经实验证明,通过上述技术方案可制备任意复杂形状的Si3N4陶瓷,其相对密度大于95%,硬度为16GPa~22GPa,断裂韧性为9MPa·m1/2~14MPa·m1/2,抗弯强度为1000MPa~1500MPa。与现有技术相比,本专利技术具有下述优点:1)选用低成本的硅粉为原料快速制备氮化硅,极大的降低制造成本;2)通过利用硅粉氮化体积膨胀对样品收缩进行补偿,实现复杂形状氮化硅陶瓷净尺寸成型;3)氮化硅陶瓷采用光固化3D打印成型,具有极高的分辨率,最高达到25μm。具体实施方式为了解决现有技术中,陶瓷坯体在高温烧结后出现收缩的现象,本专利技术提供了一种Si3N4陶瓷及其制备方法。本专利技术Si3N4陶瓷的制备方法包括以下步骤:1、配料硅粉与氮化催化剂的质量比优选为(80~99):(1~20),较优选为(90~99):(1~100),最优选为95∶5;氮化催化剂为ZrO2、TiO2何Eu2O3中的任意一种。当氮化催化剂与硅粉的质量比低于1:99,可能出现氮化不完全,甚至在较快的升温速率下出现熔硅现象,残余的硅在Si3N4陶瓷中作为一种缺陷会极大地降低制备陶瓷的性能;当氮化催化剂与硅粉的质量比高于20:80,氮化催化剂虽然可以促进硅粉的快速氮化,但是过多的氮化催化剂会引入副产物,例如TiO2作为氮化催化剂添加量超过20%时,过多的TiO2会与Si3N4反应产生Si2N2O的副产物,作为主相的Si3N4则被消耗,得不到本申请所需的Si3N4陶瓷。Si3N4和烧结助剂的质量比为(80~99):(1~20),较优选为(90~99):(1~10),最优选为90∶10。烧结助剂为MgO和Re2O3,MgO和Re2O3的质量比为(30~60):(40~70),较优选为(50~60):(40~50),最优选为55∶45;其中,Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。硅粉的纯度为99%;粒径小于10μm,优选为0.1μm~10μm,最优选为0.1μm;氮化催化剂纯度为99%;粒径为<10μm;MgO粉纯度为99%,Re2O3粉纯度为99.9%。2、混合球磨将上述配比的硅粉、氮化催化剂和烧结助剂混合,置于行星式球磨机中,以乙醇为溶剂,以Si3N4球为球磨介质,球料比为(1~5):1,球磨混合4~18h,干燥后得到Si3N4-ZrO2-MgO-Y2O3混合粉体。3、喷雾制粒将混合粉体与分散剂混合,进行喷雾制粒,得到球形颗粒,粒径为1μm。在本专利技术中,混合粉体与分散剂的混合质量比优选为(95~99.99):(0.01~5),较优选为(99~99.99):(0.01~1),最优选为99.95:0.05;分散剂选自油酸、硬脂酸、聚乙烯吡咯烷酮、六偏磷酸钠、聚丙烯酸钠、酯基季铵盐和聚乙二醇辛基苯基醚中的至少一种。4、制备陶瓷浆料将球形颗粒和预混溶剂进行混合,得到陶瓷浆料。其中,陶瓷浆料的固含量(即球形颗粒含量)优选为45%~70%,较优选为50%~70%本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Si3N4陶瓷,其特征在于,其制备原材料包括:硅粉、氮化催化剂和烧结助剂;所述硅粉经所述氮化催化剂氮化处理后生成Si3N4,所述氮化催化剂与硅粉的质量比为(1~20):(80~99);所述氮化催化剂选自ZrO2、TiO2或Eu2O3;所述烧结助剂为MgO和Re2O3,所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。

【技术特征摘要】
1.一种Si3N4陶瓷,其特征在于,其制备原材料包括:硅粉、氮化催化剂和烧结助剂;所述硅粉经所述氮化催化剂氮化处理后生成Si3N4,所述氮化催化剂与硅粉的质量比为(1~20):(80~99);所述氮化催化剂选自ZrO2、TiO2或Eu2O3;所述烧结助剂为MgO和Re2O3,所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu。2.根据权利要求1所述的Si3N4陶瓷,其特征在于,所述Si3N4和烧结助剂的质量比为(80~99):(1~20)。3.根据权利要求1或2所述的Si3N4陶瓷,其特征在于,所述MgO和Re2O3的质量比为(30~60):(40~70)。4.根据权利要求1至3任意一项所述的Si3N4陶瓷,其特征在于,所述硅粉和所述氮化催化剂的质量比为95∶5,所述Si3N4和烧结助剂的质量比为90∶10,所述MgO和Re2O3的质量比为55∶45。5.一种权利要求1至4任意一项所述的Si3N4陶瓷的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:a)按配比称取硅粉、氮化催化剂和烧结助剂,混合球磨,得到混合粉体;b)将步骤a)的混合粉体与分散剂混合,进行喷雾制粒,得到球形颗粒;c)将步骤b)的球形颗粒...

【专利技术属性】
技术研发人员:林锐霖牛文彬陈志伟吴利翔郭伟明林华泰
申请(专利权)人:广东工业大学
类型:发明
国别省市:广东,44

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1