非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法，所述制备方法以Ti

【技术实现步骤摘要】
非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法
本专利技术涉及非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料的

技术介绍
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有优异的力学性能、耐高温性能、抗腐蚀和耐磨性等综合性能，在宇航工业(如火箭喷嘴、喉衬、活塞顶和其它高温耐热结构部件)、机械工业(如高温陶瓷轴承、陶瓷刀具等)、化工产业(如密封环、过滤器、热交换器部件等)、半导体工业(如电路基片、薄膜电容器等)和核工业(如核反应堆的支承件、隔离件和核裂变物质的载体等)等领域发挥独特作用。但现有Si3N4陶瓷仍存在高温抗蠕变性能差和可加工难两方面问题，严重制约Si3N4陶瓷作为热端部件在高温应力载荷服役环境的推广应用。高温蠕变行为将降低材料强度，可导致结构陶瓷部件产生变形，与其它部件产生触碰或挤压而导致断裂，存在引起装备系统发生灾难性事故的重大安全隐患。高温蠕变产根本原因是在于：Si3N4陶瓷制备烧结阶段引入金属氧化物烧结助剂(如Li2O、CaO、Al2O3、MgO、ZrO2、锂铝硅酸盐等)，或稀土氧化物烧结助剂(如Y2O3、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Yb2O3、Lu2O3等)，这些氧化物助剂一般以玻璃相的形式存在于Si3N4晶界中，如在说明书附图1所示的加入8wt％Lu2O3和2wt％MgO作为烧结助剂得到的Si3N4复合陶瓷的TEM及元素分布图中的微结构所示。这些烧结助剂形成的玻璃相在高温应力载荷条件下会软化、滑移。另一方面，现有Si3N4陶瓷的精密机械加工性也难以满足应用要求。
技术实现思路
r>为解决传统氧化物助烧的热结构陶瓷Si3N4因共晶温度较低导致的高温应力载荷条件下易发生软化、滑移及显著高温蠕变行为和可加工性差的问题，本专利技术的目的在于通过采用典型金属陶瓷MAX相Ti3SiC2这类非氧化物烧结助剂替代传统的金属氧化物-稀土氧化物烧结助剂的制备方法，获得具有高温抗蠕变性和导电机械加工性的氮化硅陶瓷复合材料。本专利技术首先公开了如下的技术方案：非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料的制备方法，其包括：以Ti3SiC2作为烧结助剂，对Si3N4粉末在惰性氛围下进行热压烧结，得到所述非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述氮化硅陶瓷复合材料中，所述Si3N4的α相含量>90％，中粒径0.5-0.9μm，所述Ti3SiC2的纯度>98％。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述氮化硅陶瓷复合材料中，所述Si3N4与所述Ti3SiC2的体积比为80:20-99:1。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述热压烧结的温度为1600-1700℃。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述热压烧结的压力为20-40MPa。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述热压烧结的时间为1-2h。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述热压烧结的升温速率为5-15℃/min。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述制备方法包括以下步骤：(1)按配比称量α-Si3N4粉末与所述烧结助剂Ti3SiC2粉末；(2)将称量好的α-Si3N4粉末与Ti3SiC2粉末与球磨介质及无水乙醇置进行湿混球磨，得到混合物湿料；(3)将所得混合物湿料进行干燥、研磨，得到烧结料；(4)将所得烧结料装入模具，在惰性氛围下升至烧结温度，并加压、保温进行烧结，烧结完成后冷却，即得到所述氮化硅陶瓷复合材料。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述步骤(2)中，所述球磨使用氧化锆球磨珠，球磨转速为100-300rpm，球磨时间为8-12h；所述步骤(3)中，所述烧结料为研磨后过100-300目筛得到；所述步骤(4)中，所述加压的压力为20-40MPa，所述烧结的温度为1600-1700℃，所述烧结的时间为1-2h。本专利技术进一步提供了上述任一制备方法制备得到的氮化硅陶瓷复合材料，其主要由高温稳定β-Si3N4相、C0.3N0.7Ti相以及SiC相组成，且其中原位反应生成的C0.3N0.7Ti相和SiC相均匀分布于六方棒状氮化硅晶粒周围。本专利技术采用Ti3SiC2作为新型烧结助剂替代传统稀土氧化物烧结体系，不仅有效降低了氮化硅致密化烧结温度，提高了氮化硅陶瓷的烧结效率，而且促进了氮化硅陶瓷的强韧化。相对于烧结温度为1600℃时，采用传统烧结助剂体系(Al2O3-Y2O3)得到的致密度仅为88.05％的氮化硅陶瓷，本专利技术采用5vol％的Ti3SiC2作为烧结助剂得到的氮化硅陶瓷致密度可升高到理论密度的95.78％，提高了8.75％；采用20vol％的Ti3SiC2含量时，所制备的氮化硅陶瓷致密度均超过99％，通过硬质相C0.3N0.7Ti对裂纹的有效偏转和桥联作用，可进一步有效释放裂纹扩展应力，阻碍裂纹的进一步提高，使氮化硅陶瓷的韧性增加到6.78MPa·m1/2。本专利技术的Ti3SiC2同时表现出类金属特性，可进一步调控氮化硅陶瓷的电学性能，当掺杂不同含量的Ti3SiC2助剂时，通过导电相C0.3N0.7Ti形成的逾渗效应可实现氮化硅陶瓷的直流电导率从2.6×10-3S/m到1.6×105S/m的连续调控，大幅度提高了可加工性能得到。附图说明图1为现有技术中采用Lu2O3-MgO作为烧结助剂得到的Si3N4复合陶瓷的TEM及元素分布图。图2为本专利技术的一种具体制备方法的流程示意图。图3为实施例2所得氮化硅陶瓷的密度随Ti3SiC2含量变化的统计图。图4为实施例2所得氮化硅陶瓷的显微硬度随Ti3SiC2含量变化的统计图。图5为实施例2所得氮化硅陶瓷的弯曲强度和断裂韧性随Ti3SiC2含量变化的统计图。图6为实施例2所得氮化硅陶瓷的电导率随Ti3SiC2含量变化的统计图。图7为实施例3所得不同含量烧结助剂条件下1700℃热压制备的氮化硅陶瓷的XRD图谱。图8为实施例3所得不同含量烧结助剂条件下1700℃热压制备的氮化硅陶瓷的表面形貌表征对比图，其中(a)Si3N4-Y2O3-Al2O3，(b)Si3N4-3vol％Ti3SiC2，(c)Si3N4-5vol％Ti3SiC2，(d)Si3N4-10vol％Ti3SiC2，(e)Si3N4-15vol％Ti3SiC2，(f)Si3N4-20vol％Ti3SiC2，(g)图(e)选框内放大图，(h)图(g)内A、B两点的EDS。具体实施方式以下结合实施例和附图对本专利技术进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本专利技术进行示例性的描述，而并不能对本专利技术的保护范围构成任何限制。所有包含在本专利技术的专利技术宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本专利技术的保护范围。以下各实施例所用原料中，α-Si3N4粉末的α相含量>90％，中粒径为0.5-0.9μm，Ti3SiC2的纯度>98％。实施例1通过如附图2所示的过程进行氮化硅陶瓷复合材料的制备，具体包括：准确称量两组含氮化硅陶瓷粉末(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：包括：以Ti

【技术特征摘要】
1.非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：包括：以Ti3SiC2作为烧结助剂，对Si3N4粉末在惰性氛围下进行热压烧结，得到所述非氧化物MAX相强韧化氮化硅陶瓷复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述Si3N4的α相含量>90％，中粒径为0.5-0.9μm，所述Ti3SiC2的纯度>98％。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述Si3N4与所述Ti3SiC2的体积比为80:20-99:1。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热压烧结的温度为1600-1700℃。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热压烧结的压力为20-40MPa。


6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热压烧结的时间为1-2h。


7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热压烧结的升温速率为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗衡，李杨，张海斌，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43