一种碳固溶氮化硅材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于材料科学技术领域，具体涉及一种碳固溶氮化硅材料及其制备方法。本发明专利技术运用机械合金化和自蔓延反应方法在氮化硅中固溶碳来调控氮化硅中的化学键，制备的碳固溶氮化硅材料为共价键和金属键混合型，避免由于传统材料微观结构中的氮化硅/碳化硅纤维界面所导致的性能退化，达到强化氮化硅陶瓷材料的机械性能和耐磨性能的目的。本发明专利技术所述的碳固溶氮化硅材料具有结晶度高、高韧性、抗耐磨、轻质等优点；在高速陶瓷轴承，抗腐蚀陶瓷涂层等领域有着广泛的应用。

A Carbon Solid Soluble Silicon Nitride Material and Its Preparation Method

The invention belongs to the field of material science and technology, in particular to a carbon solid solution silicon nitride material and a preparation method thereof. The method of mechanical alloying and self-propagating reaction is used to control the chemical bonds in silicon nitride by solid-soluble carbon in silicon nitride. The prepared carbon-soluble silicon nitride material is covalent bond and metal bond mixed type, avoiding the degradation of performance caused by the interface of silicon nitride/silicon carbide fiber in the microstructure of traditional materials, so as to enhance the mechanical properties and wear resistance of silicon nitride ceramic materials. Objective. The carbon solid solution silicon nitride material of the invention has the advantages of high crystallinity, high toughness, wear resistance and light weight, and has wide application in the fields of high-speed ceramic bearings, corrosion resistant ceramic coatings, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种碳固溶氮化硅材料及其制备方法
本专利技术属于材料科学
，具体涉及一种碳固溶氮化硅材料及其制备方法。
技术介绍
氮化硅陶瓷材料作为重要的结构材料和功能材料有着广泛的应用。但是由于其材料的硬度低，往往需要通过添加硬质相材料来提高氮化硅的机械性能。目前，广泛使用碳化硅纤维的添加来增强氮化硅陶瓷材料的不足。碳化硅纤维来增强氮化硅陶瓷的性能取决于碳化硅纤维和氮化硅基体之间的界面属性以及碳化硅纤维的尺寸、形状和在氮化硅基体中的分布，这使得通过现有方法获得的增韧氮化硅对制备工艺非常敏感，性能的稳定性和服役的可靠性都很差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，解决当前氮化硅强韧化不足的问题，提供一种碳固溶氮化硅材料及其制备方法，采用本专利技术方法制备的碳固溶氮化硅陶瓷材料具有良好的断裂韧性及耐磨性能。本专利技术通过以下技术方案实现上述目的，本专利技术提供了一种碳固溶氮化硅材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将硅粉、β-氮化硅粉、碳黑和氯化铵混合均匀后置于球磨罐中，加入无水乙醇后密封球磨罐，抽取罐中的空气充入高纯惰性氮气后进行球磨；（2）球磨后在红外干燥箱中干燥，干燥后的粉末加入Al2O3和Y2O3混合均匀后压片处理；（3）压片处理后置入自蔓延反应腔中，抽取反应腔中的空气再充入高纯氮气，点火直至反应结束制得生成物；（4）将步骤（3）中制得的生成物研磨粉碎，烧结成块，获得碳固溶氮化硅材料。进一步地，步骤（1）中硅粉、β-氮化硅粉、碳黑和氯化铵的质量之比为37~41:51~57:5~10:2。进一步地，步骤（1）中所述球磨的转速为200~300rpm，球磨的时间为20~30小时。进一步地，步骤（2）中所述红外干燥箱的温度为80~100摄氏度。进一步地，步骤（2）中所述的加入Al2O3和Y2O3的质量均为步骤（1）中加入物质总质量的3~5%进一步地，步骤（3）中充入高纯氮气后反应腔中压力为7.5兆帕。进一步地，步骤（4）中所述烧结条件为700~900摄氏度，35~40兆帕气压下。本专利技术还提供了根据上述技术方案所述的制备方法制得的碳固溶氮化硅材料。与现有技术相比，本专利技术有益效果是：本专利技术制备的碳固溶氮化硅材料通过机械合金化和自蔓延反应方法在氮化硅中固溶碳来调控氮化硅中的化学键，制备的碳固溶氮化硅材料为共价键和金属键混合型，避免由于传统材料微观结构中的氮化硅/碳化硅纤维界面所导致的性能退化，达到强化氮化硅陶瓷材料的机械性能和耐磨性能的目的。相较于碳化硅纤维增强氮化硅，基于本专利技术制备方法得到的碳固溶氮化硅可以有效避免由相界和晶界失陪导致的微裂纹的萌芽与扩展，提高材料的性能和服役的安全性和可靠性。本专利技术制备的碳固溶氮化硅，断裂韧性达到10.4MPa·m0.5，是现有技术生产的氮化硅陶瓷的2倍左右，其磨损率是纯氮化硅的1/2，本专利技术所述的碳固溶氮化硅材料具有结晶度高、高断裂韧性、抗耐磨、轻质等优点；在高速陶瓷轴承，抗腐蚀陶瓷涂层等领域有着广泛的应用；并且制备工艺简单稳定可靠，对工艺条件敏感度低，利于工业上推广制备。附图说明图1是电子态密度分布图；其中，图（a）是实施例1中制备的纯氮化硅材料的电子态密度分布图，图（b）是实施例3中制备的固溶碳10%的碳固溶氮化硅材料的电子态密度分布图；图2是实施例1-3制备的碳固溶氮化硅物相结构的XRD图；图3是实施例2制备的碳固溶氮化硅的形貌及成分分析图；其中，图（a）为扫描电镜照片，图（b）为氮元素的分布图，图（c）为碳元素的分布图，图（d）为硅元素的分布图；图4是固溶碳（含量）对氮化硅材料密度的分析图；图5是碳固溶氮化硅的压痕形貌图；其中，图（a）是实施例1所得纯氮化硅，图（b）是实施例2所得固溶碳5%的碳固溶氮化硅，图（c）是实施例3所得固溶碳10%的碳固溶氮化硅；图6是实施例1-3所得碳固溶氮化硅的硬度和断裂韧性随固溶碳浓度的变化关系图；图7是实施例1-4所得碳固溶氮化硅的抗磨性能图。具体实施方式为了本领域的技术人员能够更好地理解本专利技术所提供的技术方案，下面结合具体实施例进行阐述。实施例1分别称取硅粉41g、β-氮化硅粉57g和氯化铵2g混合均匀，置于机械球磨罐中后加入适量的乙醇，密封球磨罐后抽取罐中空气后充入氮气，在全方位行星式高能球磨机中以250rpm的速度球磨24小时；机械球磨后在红外干燥箱中80摄氏度干燥24小时，与3%质量比的Al2O3粉末和3%质量比的Y2O3粉末混合，机械压片；把压好的片置入自蔓延反应腔内，抽取反应腔中的空气再充入高纯氮气直至气压达到7.5兆帕，点火直至反应结束；将反应结束后的自蔓延反应腔内生成物研磨粉碎，在700摄氏度35兆帕的气压下运用放电等离子烧结把自蔓延反应所获的产物烧结成块，得到纯氮化硅材料。实施例2分别称取硅粉39g、β-氮化硅粉54g、碳黑5g和氯化铵2g混合均匀，置于机械球磨罐中后加入适量的乙醇，密封球磨罐后抽取罐中空气后充入氮气，然后在全方位行星式高能球磨机中以200rpm的速度球磨20小时；机械球磨后在红外干燥箱中80摄氏度干燥24小时，与3%质量比的Al2O3粉末和4%质量比的Y2O3粉末混合，机械压片；把压好的片置入自蔓延反应腔内，抽取反应腔中的空气再充入高纯氮气直至气压达到7.5兆帕。然后点火直至反应结束；自蔓延反应腔内的生成物研磨粉碎，然后在800摄氏度40兆帕的气压下运用放电等离子烧结把自蔓延反应所获的产物烧结成块，得到固溶碳5%的碳固溶氮化硅。经测量，得到的5%的碳固溶氮化硅材料的密度为3.38g/cm³，硬度为1260HV10，断裂韧性为10.4MPam0.5。实施例3分别称取硅粉37g、β-氮化硅粉51g、碳黑10g和氯化铵2g混合均匀，置于机械球磨罐中后加入适量的乙醇，密封球磨罐后抽取罐中空气后充入氮气，然后在全方位行星式高能球磨机中以300rpm的速度球磨30小时；机械球磨后在红外干燥箱中100摄氏度干燥24小时，与5%质量比的Al2O3粉末和5%质量比的Y2O3粉末混合，机械压片；把压好的片置入自蔓延反应腔内，抽取反应腔中的空气再充入高纯氮气直至气压达到7.5兆帕，点火直至反应结束；将反应结束后的自蔓延反应腔内生成物研磨粉碎，然后在900摄氏度40兆帕的气压下运用放电等离子烧结把自蔓延反应所获的产物烧结成块，得到固溶碳10%的碳固溶氮化硅。得到的10%碳固溶氮化硅材料的密度为3.37g/cm³，硬度为1330HV10，断裂韧性为10.1MPam0.5。将实施例1中制备的纯氮化硅材料与上述制备的固溶碳10%的碳固溶氮化硅材料的电子态密度分布进行对比分析，如图1所示，图中的虚线是费米能级，由图1（a）可见，费米能级位于价带的顶端，表明氮化硅材料中化学键属于共价键类型，由图1（b）可见，费米能级从价带的顶端向下移到价带的中间位置，表明碳固溶氮化硅中化学键属于共价键和金属键混合的类型，由此证实，碳固溶后对氮化硅化学键具有影响。运用飞利浦X射线衍射仪（X'pertpowderXRD）对所获的碳固溶氮化硅进行物相分析，图2是实施例1-3制备的碳固溶氮化硅物相结构的XRD图；如图2所示，在固溶碳质量比含量低于10%的时候，材料具有氮化硅的六方结构，当固溶碳质量比含量高于10%时，立方碳化硅相从六方相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳固溶氮化硅材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将硅粉、β‑氮化硅粉、碳黑和氯化铵混合均匀后置于球磨罐中，加入无水乙醇后密封球磨罐，抽取罐中的空气充入高纯惰性氮气后进行球磨；（2）球磨后在红外干燥箱中干燥，干燥后的粉末加入Al2O3和Y2O3混合均匀后压片处理；（3）压片处理后置入自蔓延反应腔中，抽取反应腔中的空气再充入高纯氮气，点火直至反应结束制得生成物；（4）将步骤（3）中制得的生成物研磨粉碎，烧结成块，获得碳固溶氮化硅材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳固溶氮化硅材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将硅粉、β-氮化硅粉、碳黑和氯化铵混合均匀后置于球磨罐中，加入无水乙醇后密封球磨罐，抽取罐中的空气充入高纯惰性氮气后进行球磨；（2）球磨后在红外干燥箱中干燥，干燥后的粉末加入Al2O3和Y2O3混合均匀后压片处理；（3）压片处理后置入自蔓延反应腔中，抽取反应腔中的空气再充入高纯氮气，点火直至反应结束制得生成物；（4）将步骤（3）中制得的生成物研磨粉碎，烧结成块，获得碳固溶氮化硅材料。2.根据权利要求1所述碳固溶氮化硅材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中硅粉、β-氮化硅粉、碳黑和氯化铵的质量之比为35~41:48~57:5~10:2。3.根据权利要求1所述碳固溶氮化硅材料的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：华国民，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32