一种致密化氮化硅陶瓷材料及其制备方法技术

本申请涉及氮化硅陶瓷制备技术领域，具体公开了一种致密化氮化硅陶瓷材料及其制备方法。一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法为：步骤1：将改性碳纳米管和改性Si

【技术实现步骤摘要】
一种致密化氮化硅陶瓷材料及其制备方法
本申请涉及氮化硅陶瓷制备
，更具体地说，它涉及一种致密化氮化硅陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
氮化硅陶瓷由于具有一系列优异的力学性能、热学性能和化学稳定性，在能源环保、机械化工、航天航空及切削加工等现代科技和工业领域受到了越来越多的关注。氮化硅陶瓷是无机非金属强共价键化合物，由于氮原子之间结合的非常牢固，且Si—N键的强键合作用，使得氮化硅本身的扩散系数很低，依靠自身产生的致密化驱动力较低，因此需要添加相应助剂或者在制备工艺上进行相应的改进。制备致密化氮化硅的方式目前以热压烧结、气压烧结和热等静压烧结三种方式为主，但是三种方式均存在利弊，因此相关技术人员在此基础上进行了一些改进，如公开号为CN103553632B的中国专利公开有一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，通过对氮化硅陶瓷粉体以氨基硅烷偶联剂进行表面修饰、制备陶瓷料浆、注浆、固化脱模、干燥和烧结得到致密化氮化硅陶瓷材料。虽然在一定程度上提高了氮化硅陶瓷的致密度，但是未能改善其进行异形材料成型加工时，常出现的强度差问题。因此，专利技术人认为目前亟需研发一种新型致密化氮化硅陶瓷，在保证致密度较高的前提下，提升材料的力学强度。
技术实现思路
为了在保证致密度较高的前提下，提升材料的力学强度，本申请提供一种致密化氮化硅陶瓷材料及其制备方法。第一方面，本申请提供一种致密化氮化硅陶瓷材料及其制备方法，采用如下的技术方案：一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤，>步骤1：将改性碳纳米管和改性Si3N4于溶剂中分散混合，进行加热回流反应，反应结束后分离得到复合材料；步骤2：将助烧剂与步骤1得到的复合材料混合，球磨1-2h，得到浆料；步骤3：将步骤2得到的浆料置于模具中固化1-3h，得到坯体；步骤4：将步骤3得到的坯体于氮气气氛下高温高压烧结，得到致密化氮化硅陶瓷；所述改性碳纳米管为经聚乙二醇表面改性的碳纳米管，所述改性Si3N4为经过二氯二甲基硅烷改性的Si3N4,所述改性Si3N4和改性碳纳米管的质量比为1:(3-5)。通过采用上述技术方案，碳纳米管具有强度高、模量高、导热系数高的优异性能；而Si3N4为六方晶系，呈六面体结构，且具有优良的导热特性，通过加热反应使碳纳米管与氮化硅通过氢键的桥联形成多维的网状结构，在此之前分别对碳纳米管和氮化硅进行表面改性，其中选用聚乙二醇改性碳纳米管，聚乙二醇具有良好的溶解性，可溶于水，被其改性的其他分子可以改善其在介质中的溶解性能，当其与碳纳米管结合时，使得碳纳米管的可分散性提高；同时，选用二氯二甲基硅烷作为粒子表面改性剂改性Si3N4，硅烷与氮化硅表面羟基反应，形成Si-O-Si达到改性，当其与经过聚乙二醇改性后的碳纳米管反应后，聚乙二醇分子链端的端羟基通过反应接枝到硅烷形成Si-O-C，从而提高了Si3N4在液相中的分散性，弥补了Si3N4分子自身致密化驱动力较低的缺点，提高了致密化程度的同时，借助碳纳米管增加了力学强度。可选的，所述改性碳纳米管的制备方法为，将碳纳米管分散于浓硝酸溶液中，超声分散40min，随后加热回流反应3h，洗涤后置于聚乙二醇溶液中，超声分散40min，随后加热回流反应2h，得到改性碳纳米管。通过采上述技术方案，碳纳米管由于结构稳定，需要与浓硝酸进行反应，使得其表面的分子更易与聚乙二醇结合，随后将碳纳米管与聚乙二醇加热回流反应，提高了聚乙二醇与碳纳米管结合效果，使得改性反应更易进行。可选的，所述碳纳米管与聚乙二醇的质量比为1:2。通过采用上述技术方案，当碳纳米管与聚乙二醇的质量比为1:2时，聚乙二醇对碳纳米管的改性效果更佳。可选的，所述聚乙二醇的数均分子量为1200-1600。通过采用上述技术方案，在上述数均分子量范围内的聚乙二醇，反应状态更佳，与碳纳米管的结合效果更佳。可选的，所述碳纳米管为单壁碳纳米管。通过采上述技术方案，单壁碳纳米管具有较高的导热系数，其导热性能优于多壁碳纳米管，使得制得改性碳纳米管性能更佳，同时使制得的陶瓷材料导热性更佳。可选的，所述助烧剂为LiAl02和微米级Nd2O3的混合物，所述LiAl02与Si3N4的质量比为1:10；所述微米级Nd2O3与Si3N4的质量比为1:20。通过采用上述技术方案，稀土氧化物在氮化硅陶瓷烧结过程中可以阻碍晶粒长大，从而细化晶粒，有利于致密结构的形成，选用微米级Nd2O3使得Nd与氮化硅形成固溶体，造成晶格畸变，进一步促进了氮化硅的致密化，此外，晶粒间的毛细作用也可以促进晶间物质向孔隙处填充从而降低孔隙率，使相对密度得到提高，且其与LiAl02对氮化硅的致密化存在协同促进作用。可选的，所述高温高压烧结过程为，将步骤3制得的坯体置于烧结炉中，在氮气气氛下预压，随后升温至1760℃，并在1760℃下保温60min,升温过程升压至30MPa，并保持恒定，直到保温过程结束，随后降温至25±5℃后取出，得到致密化氮化硅陶瓷。通过采用上述技术方案，在此烧结工艺下，氮化硅的致密化和力学强度得到进一步提升。可选的，所述改性Si3N4的制备方法为，将二氯二甲基硅烷置于有机溶剂中，与Si3N4混合球磨1h，随后提取48h，得到改性Si3N4。通过采用上述技术方案，二氯二甲基硅烷与氮化硅表面羟基反应，形成Si－O－Si达到初步改性。可选的，所述Si3N4与二氯二甲基硅烷的质量比为1:(2-4)。通过采用上述技术方案，当Si3N4与二氯二甲基硅烷的质量比为1:(2-4)时，二氯二甲基硅烷对氮化硅的表面改性效果最佳。第二方面，本申请提供一种致密化氮化硅陶瓷材料，应用上述任一项所述的一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法制得。通过采用上述技术方案，经过聚乙二醇改性的碳纳米管在液相中的分散性得到提升，与经过二氯二甲基硅烷表面改性的氮化硅反应，聚乙二醇分子链端的端羟基通过反应接枝到硅烷上形成Si-O-C，提高了致密化程度的同时，保证了力学强度。综上所述，本申请具有以下有益效果：1、由于本申请的制备方法，采用在制备过程中加入聚乙二醇改性后的碳纳米管，同时对原料Si3N4进行了二氯二甲基硅烷表面改性，由于两者上基团的相互作用，提高了致密化程度的同时，保证了力学强度。2、本申请中优选采用LiAl02和微米级Nd2O3作为助烧剂，由于LiAl02和微米级Nd2O3之间存在协同配合作用，进一步有效提高了氮化硅的致密化程度。3、本申请的致密化氮化硅陶瓷材料，通过聚乙二醇改性的碳纳米管与二氯二甲基硅烷改性的Si3N4进行高温高压烧结，聚乙二醇分子链端的端羟基通过反应接枝到二氯二甲基硅烷上形成Si-O-C，提高了致密化程度的同时，保证了力学强度。具体实施方式原料来源若无特殊说明，以下原料规格及来源均如表1所示。表1原料规格及来源改性碳纳米管的制备例制备例1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，/n步骤1：将改性碳纳米管和改性Si

【技术特征摘要】
1.一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：将改性碳纳米管和改性Si3N4于溶剂中分散混合，进行加热回流反应，反应结束后分离得到复合材料；
步骤2：将助烧剂与步骤1得到的复合材料混合，球磨1-2h，得到浆料；
步骤3：将步骤2得到的浆料置于模具中固化1-3h，得到坯体；
步骤4：将步骤3得到的坯体于氮气气氛下高温高压烧结，得到致密化氮化硅陶瓷；
所述改性碳纳米管为经聚乙二醇表面改性的碳纳米管，所述改性Si3N4为经过二氯二甲基硅烷改性的Si3N4,所述改性Si3N4和改性碳纳米管的质量比为1:(3-5)。


2.根据权利要求1所述的一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述改性碳纳米管的制备方法为，将碳纳米管分散于浓硝酸溶液中，超声分散40min，随后加热回流反应3h，洗涤后置于聚乙二醇溶液中，超声分散40min，随后加热回流反应2h，得到改性碳纳米管。


3.根据权利要求2所述的一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管与聚乙二醇的质量比为1:2。


4.根据权利要求3所述的一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述聚乙二醇的数均分子量为1200-1600。


5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海升，周圣斌，
申请(专利权)人：深圳市海德精密陶瓷有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44