一种Si3N4梯度材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种Si3N4梯度材料的制备方法，包括以下步骤：a)提供混合粉体A和混合粉体B；所述混合粉体A包括Si粉、TiO2粉和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比小于等于1的Al2O3和Re2O3组成；所述混合粉体B包括Si、TiO2和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比大于1的Al2O3和Re2O3组成；所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；b)将所述混合粉体A和混合粉体B交替铺设形成多层结构，经压制成型，得到坯体；c)将步骤b)得到的坯体氮化后烧结，得到Si3N4梯度材料。本发明专利技术通过控制烧结助剂中Al2O3和Re2O3配比，在氮化阶段实现β‑氮化硅/α‑氮化硅的控制，得到的Si3N4梯度材料梯度层之间具有极强的结合力，具备表硬芯韧的优异力学性能。

A Si3N4 gradient material and its preparation method

The invention provides a preparation method of a Si3N4 gradient material, including the following steps: a) providing a mixed powder A and a mixed powder B; the mixed powder A consists of Si powder, TiO2 powder and sintering aids, in which the sintering aids is composed of Al2O3 and Re2O3 less than 1 of the molar ratio; the mixed powder B includes Si, TiO2, and sintering aids. The sintering aids are composed of Al2O3 and Re2O3, which are more than 1 of the molar ratio; the Re is selected from Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm. The Si3N4 gradient material was obtained after the nitriding. By controlling the ratio of Al2O3 and Re2O3 in the sintering aids, the silicon nitride / silicon nitride silicon nitride is controlled in the nitriding stage. The gradient layer of Si3N4 gradient material has strong binding force and excellent mechanical properties of hard core.

【技术实现步骤摘要】
一种Si3N4梯度材料及其制备方法
本专利技术涉及Si3N4陶瓷材料
，更具体地说，是涉及一种Si3N4梯度材料及其制备方法。
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，如高硬度、高强、耐磨、耐高温等优异性能，可广泛应用于轴承、高速切削刀具、装甲等方面；但在极高温以及高速切削等恶劣条件下仍然容易磨损，寿命有限，所以需要对表面进一步增强，加强其使用可靠性，对于Si3N4陶瓷材料通常可进行制备梯度材料或者运用PVD、CVD技术对其性能进行进一步改善。对于PVD、CVD技术，往往存在涂层太薄防护效果不佳这一缺陷；并且，PVD、CVD技术还存在基体与涂层之间结合力不足的问题，而对不导电材料运用PVD、CVD技术时，还需要对材料表面覆盖一层导电层，再对其进行涂层处理，而基体与导电层之间又存在结合力不足的问题。因此，对于Si3N4陶瓷材料更多采用制备梯度材料对其性能进行进一步改善。目前，Si3N4梯度材料的制备主要是通过将原料成分甚至组成相差很大的材料烧结为一体，实现表层与硬度具有不同的性能；但是由于表层与芯部材料在成分、结构上的差别，使得两者的结合力较弱，有的甚至在烧结过程中都会出现表层与芯部的脱离，这极大地弱化了Si3N4梯度材料的应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种Si3N4梯度材料及其制备方法，采用本专利技术提供的制备方法得到的Si3N4梯度材料具有极强的结合力，且力学性能得到改善。本专利技术提供了一种Si3N4梯度材料的制备方法，包括以下步骤：a)提供混合粉体A和混合粉体B；所述混合粉体A包括Si粉、TiO2粉和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比小于等于1的Al2O3和Re2O3组成；所述混合粉体B包括Si、TiO2和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比大于1的Al2O3和Re2O3组成；所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；b)将所述混合粉体A和混合粉体B交替铺设形成多层结构，经压制成型，得到坯体；c)将步骤b)得到的坯体氮化后烧结，得到Si3N4梯度材料。优选的，步骤a)中所述Si粉的纯度大于等于95％，粒径小于等于100μm；所述TiO2粉的纯度大于等于98％，粒径小于等于10μm。优选的，步骤a)中所述混合粉体A中Si粉和TiO2粉的质量分数比为(60％～99％)：(1％～40％)，Si3N4和烧结助剂的摩尔比为(80％～95％)：(5％～20％)；所述混合粉体B中Si粉和TiO2粉的质量分数比为(60％～99％)：(1％～40％)，Si3N4和烧结助剂的摩尔比为(80％～95％)：(5％～20％)。优选的，步骤a)中混合粉体A中的烧结助剂由摩尔比为1：1的Al2O3和Re2O3组成；混合粉体B中的烧结助剂由摩尔比为(2～3)：1的Al2O3和Re2O3组成。优选的，步骤b)中所述多层结构为三层结构；所述三层结构按照混合粉体B-混合粉体A-混合粉体B的排列方式组成。优选的，步骤b)中所述压制成型的方式为冷等静压成型；所述冷等静压成型的压力为100MPa～300MPa，时间为1min～10min。优选的，步骤c)中所述氮化的温度为1250℃～1600℃，时间为0.5h～24h。优选的，步骤c)中所述烧结的方式为无压烧结、10MPa～50MPa的气压烧结或10MPa～50MPa的SPS烧结。优选的，步骤c)中所述烧结的温度为1600℃～2000℃，时间为0.5h～24h。本专利技术还提供了一种Si3N4梯度材料，由上述技术方案所述的制备方法制备得到。本专利技术提供了一种Si3N4梯度材料的制备方法，包括以下步骤：a)提供混合粉体A和混合粉体B；所述混合粉体A包括Si粉、TiO2粉和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比小于等于1的Al2O3和Re2O3组成；所述混合粉体B包括Si、TiO2和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比大于1的Al2O3和Re2O3组成；所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；b)将所述混合粉体A和混合粉体B交替铺设形成多层结构，经压制成型，得到坯体；c)将步骤b)得到的坯体氮化后烧结，得到Si3N4梯度材料。与现有技术相比，本专利技术通过相变实现了Si3N4梯度材料的制备，具体通过控制烧结助剂中Al2O3和Re2O3配比，在氮化阶段实现β-氮化硅/α-氮化硅的控制，得到的梯度层结合力强，从而使得到的Si3N4梯度材料具有极强的结合力，并且力学性能得到改善。另外，本专利技术提供的制备方法能够根据需求对梯度层厚度进行控制；工艺简单、成本低。附图说明图1为本专利技术实施例1中氮化后材料表面层的XRD图谱；图2为本专利技术实施例1中氮化后材料内部中间层的XRD图谱；图3为本专利技术实施例1制备得到的Si3N4梯度材料表面层的断面SEM照片；图4为本专利技术实施例1制备得到的Si3N4梯度材料表面层的抛光腐蚀面SEM照片；图5为本专利技术实施例1制备得到的Si3N4梯度材料内部中间层的断面SEM照片；图6为本专利技术实施例1制备得到的Si3N4梯度材料内部中间层的抛光腐蚀面SEM照片。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种Si3N4梯度材料的制备方法，包括以下步骤：a)提供混合粉体A和混合粉体B；所述混合粉体A包括Si粉、TiO2粉和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比小于等于1的Al2O3和Re2O3组成；所述混合粉体B包括Si、TiO2和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比大于1的Al2O3和Re2O3组成；所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；b)将所述混合粉体A和混合粉体B交替铺设形成多层结构，经压制成型，得到坯体；c)将步骤b)得到的坯体氮化后烧结，得到Si3N4梯度材料。本专利技术首先提供混合粉体A和混合粉体B。在本专利技术中，所述混合粉体A包括Si粉、TiO2粉和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比小于等于1的Al2O3和Re2O3组成，优选由摩尔比为1：1的Al2O3和Re2O3组成；所述混合粉体B包括Si、TiO2和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比大于1的Al2O3和Re2O3组成，优选由摩尔比为(2～3)：1的Al2O3和Re2O3组成。在本专利技术中，所述Si粉的纯度优选大于等于95％，更优选为95％～100％；所述Si粉的粒径优选小于等于100μm，更优选为<100μm。在本专利技术中，所述TiO2粉的纯度优选大于等于98％，更优选为98％～100％；所述TiO2粉的粒径优选小于等于10μm，更优选为<10μm。本专利技术对所述Si粉和TiO2粉的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本专利技术中，所述混合粉体A中Si粉和TiO2粉的质量分数比优选为(60％～99％)：(1％～40％)，更优选为(85％～95％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Si3N4梯度材料的制备方法，包括以下步骤：a)提供混合粉体A和混合粉体B；所述混合粉体A包括Si粉、TiO2粉和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比小于等于1的Al2O3和Re2O3组成；所述混合粉体B包括Si、TiO2和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比大于1的Al2O3和Re2O3组成；所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；b)将所述混合粉体A和混合粉体B交替铺设形成多层结构，经压制成型，得到坯体；c)将步骤b)得到的坯体氮化后烧结，得到Si3N4梯度材料。

【技术特征摘要】
1.一种Si3N4梯度材料的制备方法，包括以下步骤：a)提供混合粉体A和混合粉体B；所述混合粉体A包括Si粉、TiO2粉和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比小于等于1的Al2O3和Re2O3组成；所述混合粉体B包括Si、TiO2和烧结助剂，其中，烧结助剂由摩尔比大于1的Al2O3和Re2O3组成；所述Re选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；b)将所述混合粉体A和混合粉体B交替铺设形成多层结构，经压制成型，得到坯体；c)将步骤b)得到的坯体氮化后烧结，得到Si3N4梯度材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述Si粉的纯度大于等于95％，粒径小于等于100μm；所述TiO2粉的纯度大于等于98％，粒径小于等于10μm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述混合粉体A中Si粉和TiO2粉的质量分数比为(60％～99％)：(1％～40％)，Si3N4和烧结助剂的摩尔比为(80％～95％)：(5％～20％)；所述混合粉体B中Si粉和TiO2粉的质量分数比为(60％～99％)：(1％～40％)，Si3N4和烧结助剂的摩尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟明，吴利翔，牛文彬，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