一种ZrN基超高温陶瓷及其热压反应烧结制备方法技术

本发明专利技术提供一种ZrN基超高温陶瓷，其主相包括ZrN、La

【技术实现步骤摘要】
一种ZrN基超高温陶瓷及其热压反应烧结制备方法
本专利技术属于无机陶瓷材料领域，具体涉及一种ZrN基超高温陶瓷及其热压反应烧结制备方法。
技术介绍
超高温陶瓷(Ultrahightemperatureceramics，UHTCs)是指在极端环境(例如极端热通量，化学反应性等离子体或氧含量极高的苛刻环境)下运行时能够提供机械稳定性和散热的陶瓷材料，具有稳定的物理化学性质，如较高的热导率与电导率、良好的抗热冲击性，优良的抗腐蚀性等。UHTCs材料主要是过渡金属元素(Ti、Zr、Hf、Nb和Ta等)的硼化物、碳化物和氮化物以及由它们复合的陶瓷材料，包括二硼化锆(ZrB2)、二硼化铪(HfB2)、碳化锆(ZrC)、碳化铪(HfC)、氮化锆(ZrN)、氮化铪(HfN)等。ZrN作为一种超高温陶瓷(UHTCs)具有高熔点、高硬度、高耐磨性和良好的耐腐蚀性，由于ZrN的强共价键、高熔点、低扩散系数导致其烧结难度很大，通过原位反应烧结制备超高温ZrN陶瓷被认为是一种低耗且经济的制备方法。Si3N4-ZrO2二元系统通过反应烧结能够制备ZrN陶瓷，但在反应烧结过程中会产生SiO、N2、O2等气体，造成很大的烧失率，无法获得高致密度的陶瓷块体。为了减少或消除反应烧结过程产生挥发气体，申请人研究团队在Si3N4-ZrO2二元系统中引入稀土金属氧化物La2O3以固化挥发性气体SiO，促进Si3N4-ZrO2取代反应生成ZrN(见“Si3N4-ZrO2-La2O3系统反应合成ZrN及相图构建”，李彦瑞，陆有军等，无机材料学报第35卷第7期，第823-826页)，通过设计Si3N4-ZrO2-La2O3三元系统可原位反应烧结生成ZrN相和多种稀土硅酸盐相复合陶瓷，稀土硅酸盐相的生成有效抑制了SiO气体的产生，提高了反应烧结陶瓷块体的烧结致密度，但根据Si3N4-ZrO2-La2O3三元系统反应的元素守恒，在反应体系中，ZrO2被氮化生成ZrN的过程中Zr4+被还原为Zr3+，伴随着气体的放出，当Si3N4:ZrO2为1:3时生成N2，当Si3N4:ZrO2为1:4时生成O2，使得体系氧分压升高，当温度达到800℃时，ZrN开始被氧气氧化，使得ZrN的生成量降低。为了进一步避免气体对Si3N4-ZrO2-La2O3三元系统反应制备ZrN基复相陶瓷性能的影响，本专利技术对反应烧结体系进行了重新设计，并结合相应的烧结机制，制备出综合性能优异的ZrN基复相陶瓷材料。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种ZrN基超高温陶瓷，具有优异的综合性能。本专利技术的目的之二是提供一种ZrN基超高温陶瓷的热压反应烧结制备方法，通过在原料系统中引入金属Zr单质和ZrN，避免气体对Si3N4-ZrO2-La2O3三元系统反应制备ZrN基复相陶瓷性能的影响，可以调控产物中硅酸盐相的出现，适度添加ZrN进一步提高了陶瓷的力学性能。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种ZrN基超高温陶瓷，其主相组成为ZrN、La4.67Si3O13，其中，La4.67Si3O13均匀连续分布于ZrN晶粒间隙间，ZrN晶粒尺寸为20-50μm(比如25μm、30μm、35μm、40μm、45μm等)；所述ZrN基超高温陶瓷的体积密度为87％-98％(比如88％、90％、92％、94％、96％、97％等)，硬度为10.0-11.5GPa(比如10.2GPa、10.4GPa、10.6GPa、10.8GPa、11.0GPa、11.2GPa、11.4GPa等)之间，抗弯强度为240-310MPa(比如250MPa、260MPa、270MPa、280MPa、290MPa、300MPa等)，断裂韧性为1.90-2.05MPa.m1/2(比如1.92MPa.m1/2、1.94MPa.m1/2、1.96MPa.m1/2、1.98MPa.m1/2、2.00MPa.m1/2等)。优选地，所述ZrN基超高温陶瓷的体积密度为95％-98％(比如95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％等)，硬度为10.5-11.2GPa(比如10.6GPa、10.8GPa、11.0GPa等)，抗弯强度为275-302MPa(比如280MPa、285MPa、290MPa、295MPa、300MPa等)，断裂韧性为1.94-2.05MPa.m1/2。上述ZrN基超高温陶瓷可通过将原料份α-Si3N4、ZrO2、La2O3、Zr粉、ZrN粉末进行混粉、压型后热压烧结制成。一种ZrN基超高温陶瓷的热压反应烧结制备方法，包括：原料预处理步骤：称取适量α-Si3N4、ZrO2、La2O3、Zr粉、ZrN粉末，添加适量助剂后，进行球磨处理，然后经烘干处理、研磨处理，得到混合物粉末；成型处理步骤：将所述混合物粉末置于成型模具中，施加压力进行成型处理，得到成型坯；热压反应烧结处理步骤：将所述成型坯进行热压烧结处理，得到所述ZrN基超高温陶瓷；其中，所述原料预处理步骤中，所述α-Si3N4的摩尔数用m表示，所述ZrO2的摩尔数用n表示，所述La2O3的摩尔数用x表示，所述Zr粉的摩尔数用y表示，ZrN粉末的摩尔数以z表示，原料的优选配比为：m:n:x:y:z＝3:9:7:3:(22-66)(比如3:9:7:3:25、3:9:7:3:30、3:9:7:3:33、3:9:7:3:38、3:9:7:3:40、3:9:7:3:44、3:9:7:3:50、3:9:7:3:55、3:9:7:3:60等)。上述ZrN基超高温陶瓷的热压反应烧结制备方法中，作为一种优选实施方式，所述原料预处理步骤中，所述α-Si3N4的纯度99.9％以上，粒度0.7μm以下(比如0.6μm、0.5μm、0.4μm、0.3μm、0.2μm、0.1μm等)；所述ZrO2的纯度99.9％以上，粒度100nm以下(比如90nm、80nm、70nm、50nm、30nm等)；所述La2O3的纯度99.9％以上，粒度10μm以下(比如8μm、6μm、5μm、3μm、2μm、1μm等)；所述Zr粉的纯度99.5％以上，粒度200目(即过200目筛，约75μm以下，比如70μm、60μm、50μm、40μm等)；所述ZrN粉末的纯度99％，粒度400目(即过400目筛，约38μm以下，比如35μm、30μm、25μm、20μm、10μm等)。上述ZrN基超高温陶瓷的热压反应烧结制备方法中，作为一种优选实施方式，所述原料预处理步骤中，所述助剂为乙醇。上述ZrN基超高温陶瓷的热压反应烧结制备方法中，作为一种优选实施方式，所述原料预处理步骤中，所述球磨处理的时间为30-180min(比如40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min、130min、140min、150min、160min、170min等)，球磨机转速设定为500-800r/min(比如520r/min、550r/min、600r/min、650r/min、700r/min、750r本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ZrN基超高温陶瓷，其特征在于，其主相包括ZrN、La

【技术特征摘要】
1.一种ZrN基超高温陶瓷，其特征在于，其主相包括ZrN、La4.67Si3O13，其中，La4.67Si3O13均匀连续分布于ZrN晶粒间隙间，ZrN晶粒尺寸为20-50μm；所述ZrN基超高温陶瓷的体积密度为87％-98％，硬度为10.0-11.5GPa，抗弯强度为240-310MPa，断裂韧性为1.90-2.05MPa.m1/2。


2.根据权利要求1所述的ZrN基超高温陶瓷，其特征在于，所述ZrN基超高温陶瓷的体积密度为95％-98％，硬度为10.5-11.2GPa，抗弯强度为275-302MPa，断裂韧性为1.94-2.05MPa.m1/2。


3.一种ZrN基超高温陶瓷的热压反应烧结制备方法，其特征在于，包括：
原料预处理步骤：称取适量α-Si3N4、ZrO2、La2O3、Zr粉、ZrN粉末，添加适量助剂后，进行球磨处理，然后经烘干处理、研磨处理，得到混合物粉末；
成型处理步骤：将所述混合物粉末置于成型模具中，施加压力进行成型处理，得到成型坯；
热压反应烧结处理步骤：将所述成型坯进行热压烧结处理，得到所述ZrN基超高温陶瓷；
其中，所述原料预处理步骤中，所述α-Si3N4的摩尔数用m表示，所述ZrO2的摩尔数用n表示，所述La2O3的摩尔数用x表示，所述Zr粉的摩尔数用y表示，ZrN粉末的摩尔数以z表示，原料的优选配比为：m:n:x:y:z＝3:9:7:3:(22-66)。


4.根据权利要求3所述的ZrN基超高温陶瓷的热压反应烧结制备方法，其特征在于，所述原料预处理步骤中，所述α-Si3N4的纯度99.9％以上，粒度0.7μm以下；所述ZrO2的纯度...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆有军，刘洋，袁振侠，李彦瑞，刘乡，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：宁夏;64