一种织构化的梯度陶瓷复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于无机材料制备技术领域，公开了一种织构化的梯度陶瓷复合材料及其制备方法和应用。所述织构化的梯度陶瓷复合材料由外围为环状、向心织构的SiAlON陶瓷和内部为柱状、随机织构的Si3N4陶瓷组成，是将柱状的Si3N4陶瓷预烧结体置于环状的SiAlON陶瓷预烧结体中，在1750～1800℃，同时加压30～40MPa，通过放电等离子烧结制得。该方法制备的织构化的梯度陶瓷复合材料可以实现不同陶瓷材料之间的结合，同时织构过后的陶瓷材料的性能出现显著的各向异性，在垂直棒状晶粒的方向具有更高的硬度、抗弯强度、断裂韧性、断裂能和耐磨性；在平行棒状晶粒方向具有更高的弹性模量、蠕变阻力和热导率。和热导率。和热导率。

【技术实现步骤摘要】
一种织构化的梯度陶瓷复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于无机材料
，更具体地，涉及一种织构化的梯度陶瓷复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]织构化陶瓷材料是通过使陶瓷内部的棒状晶粒重新定向排列，使陶瓷材料的性能出现显著的各向异性，在垂直棒状晶粒的方向具有最高的硬度、抗弯强度、断裂韧性、断裂能和耐磨性；在平行棒状晶粒方向具有最高的弹性模量、蠕变阻力和热导率；梯度陶瓷材料是指成分与性能沿某一方向呈梯度变化的陶瓷材料。不同界面上的陶瓷材料，呈现出不同的性能，可以使一侧陶瓷具有更高的硬度、耐磨性和耐高温性能，另一侧的陶瓷具有更高的断裂韧性。梯度陶瓷可通过粉末冶金、焊接等方法制备。用这两种方法制备的梯度陶瓷，不同成分区域之间的界面附近常会有应力集中或者气孔、裂纹等缺陷，严重损害材料的力学性能。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的缺点和不足之处，本专利技术首要目的在于提供一种织构化的梯度陶瓷复合材料。
[0004]本专利技术的另一目的在于提供上述织构化的梯度陶瓷复合材料的制备方法。
[0005]本专利技术的再一目的在于提供上述织构化的梯度陶瓷复合材料的应用。
[0006]本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：
[0007]一种织构化的梯度陶瓷复合材料，所述织构化的梯度陶瓷复合材料是由外围为环状、向心织构的SiAlON陶瓷和内部为柱状、随机织构的Si3N4陶瓷组成，是将柱状的Si3N4陶瓷预烧结体置于环状的SiAlON陶瓷预烧结体中，在1750～1800℃，同时加压30～40MPa，通过放电等离子烧结制得。
[0008]优选地，所述织构化的梯度陶瓷复合材料的相对密度大于98％，外围环状、向心织构的SiAlON陶瓷的硬度为18～22GPa，断裂韧性为4～7MPa
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，抗弯强度为10～14MPa；内部柱状、随机织构的Si3N4陶瓷的硬度为15～18GPa，断裂韧性为6～8MPa
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，抗弯强度为12～16MPa。
[0009]优选地，所述环状的SiAlON预烧结体是将α
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Si3N4、Y2O3、Al2O3和AlN粉体混合干燥后，混合粉体在1450～1650℃，压力为25～35MPa，保护气氛为N2，通过热压烧结或放电等离子烧结制得。
[0010]优选地，按照α
‑
Si3N4粉体的总质量为100％计算，Al2O3的质量百分比为2～5％，AlN的质量百分比为5～8％，Y2O3的质量百分比为3～5％。
[0011]优选地，所述柱状的Si3N4预烧结体是将α
‑
Si3N4、Y2O3和Al2O3粉体混合干燥后，混合粉体在1450～1650℃，压力为25～35MPa，保护气氛为N2，通过热压烧结或放电等离子烧结制得。
[0012]优选地，按照α
‑
Si3N4粉体的总质量为100％计算，Al2O3的质量百分比为5～10％，Y2O3的质量百分比为5～10％。
[0013]所述的织构化的梯度陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]S1.将α
‑
Si3N4、Y2O3、Al2O3和AlN粉体混合干燥后，置于石墨模具中，通过热压烧结或放电等离子烧结，升温至1450～1650℃，烧结压力为25～35MPa，保护气氛为N2，冷却后取出脱模，制得环状的SiAlON陶瓷预烧结体；
[0015]S2.将α
‑
Si3N4、Y2O3、Al2O3粉体混合干燥后，置于石墨模具中，通过热压烧结或放电等离子烧结，升温至1450～1650℃，烧结压力为25～35MPa，保护气氛为N2，冷却后取出脱模，制得柱状的Si3N4陶瓷预烧结体；
[0016]S3.将环状的SiAlON陶瓷预烧结体和柱状的Si3N4陶瓷预烧结体置于同一柱状模具中，柱状的Si3N4陶瓷预烧结体置于环状的SiAlON陶瓷预烧结体内，二者中间留有空位，通过放电等离子烧结，先在3～5MPa压力下以130～150℃/min的速率升温，升至1000～1200℃开始充氮气并且逐渐增加压力，以同样的升温速率升温到1750～1800℃，同时加压达到30～40MPa，并保压保温8～10min，随后以130～150℃/min的降温速率降温，冷却后取出，制得织构化的梯度陶瓷复合材料。
[0017]优选地，步骤S1和S2中所述热压烧结的程序为：以10～14℃/min的速率升温至800～1000℃开始充氮气并且开始加压，继续以6～8℃/min的速率升温至1450～1650℃，同时压力升至25～35MPa；升温程序执行完毕后保温保压3～7min；再以10～12℃/min的速率降温至1000～1200℃泄压完毕，降温至750～850℃随炉降温；所述放电等离子烧结的程序为：以130～150℃/min的速率升温至1000～1200℃开始充氮气并且开始加压，继续将温度升至1450～1650℃，同时压力升至25～35MPa；升温程序执行完毕后保温保压3～7min；然后以80～100℃/min的速率降温至1000～1200℃泄压完毕，降温至750～850℃随炉降温。
[0018]优选地，步骤S1和S2中所述α
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Si3N4的纯度均为95～100％，粒径为<0.2μm；所述Al2O3的纯度为99.9～100％，粒径为<0.2μm；所述AlN的纯度为99.9～100％，粒径为3～5μm；所述Y2O3的纯度为99.9～100％，粒径为3～6μm。
[0019]所述的织构化的梯度陶瓷复合材料在切削难加工材料、航空航天耐磨零部件或轴承制备领域中的应用。
[0020]本专利技术的织构化的梯度陶瓷复合材料的制备过程中在模具内Si3N4陶瓷柱状预烧结体置于SiAlON陶瓷环状预烧结体内，二者中间留有空位，烧结过程中陶瓷预烧结体受到机械压力分别向外向内流动，填充中间的空位，直至二者完全烧结到一起。本专利技术的织构化陶瓷复合材料是将环状预烧结体与柱状预烧结体同心置于模具中，在烧结过程中加热加压，使得陶瓷复合材料发生高温塑性变形，诱导晶粒旋转，外围的环状生坯在晶粒旋转后发生向心织构，内部的柱状生坯发生随机织构，环状预烧结体与柱状预烧结体在烧结过程中分别向内向外流动，直至结合到一起，获得织构化的梯度陶瓷复合材料。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0022]1.本专利技术的织构化的梯度陶瓷复合材料中通过使材料内部的Si3N4和SiAlON棒状晶粒重新定向排列，使复合陶瓷材料的性能出现显著的各向异性，在垂直Si3N4和SiAlON棒状晶粒的方向均具有更高的硬度、抗弯强度、断裂韧性、断裂能和耐磨性；在平行Si3N4和SiAlON棒状晶粒方向均具有更高的弹性模量、蠕变阻力和热导率。
[0023]2.本专利技术的织构化的梯度陶瓷复合材料是将SiAlO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种织构化的梯度陶瓷复合材料，其特征在于，所述织构化的梯度陶瓷复合材料由外围为环状、向心织构的SiAlON陶瓷和内部为柱状、随机织构的Si3N4陶瓷组成，是将柱状的Si3N4陶瓷预烧结体置于环状的SiAlON陶瓷预烧结体中，在1750～1800℃，同时加压30～40MPa，通过放电等离子烧结制得。2.根据权利要求1所述的织构化的梯度陶瓷复合材料，其特征在于，所述织构化的梯度复合陶瓷材料的相对密度大于98％，外围环状、向心织构的SiAlON陶瓷的硬度为18～22GPa，断裂韧性为4～7MPa
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，抗弯强度为10～14MPa；内部柱状、随机织构的Si3N4陶瓷的硬度为15～18GPa，断裂韧性为6～8MPa
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，抗弯强度为12～16MPa。3.根据权利要求1所述的织构化的梯度陶瓷复合材料，其特征在于，所述环状的SiAlON预烧结体是将α
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Si3N4、Y2O3、Al2O3和AlN粉体混合干燥后，混合粉体在1450～1650℃，压力为25～35MPa，保护气氛为N2，通过热压烧结或放电等离子烧结制得。4.根据权利要求3所述的织构化的梯度陶瓷复合材料，其特征在于，按照α
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Si3N4粉体的总质量为100％计算，Al2O3的质量百分比为2～5％，AlN的质量百分比为5～8％，Y2O3的质量百分比为3～5％。5.根据权利要求1所述的织构化的梯度陶瓷复合材料，其特征在于，所述柱状的Si3N4预烧结体是将α
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Si3N4、Y2O3和Al2O3粉体混合干燥后，混合粉体在1450～1650℃，压力为25～35MPa，保护气氛为N2，通过热压烧结或放电等离子烧结制得。6.根据权利要求5所述的织构化的梯度陶瓷复合材料，其特征在于，按照α
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Si3N4粉体的总质量为100％计算，Al2O3的质量百分比为5～10％，Y2O3的质量百分比为5～10％。7.权利要求1
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6任一项所述的织构化的梯度陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将α
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Si3N4、Y2O3、Al2O3和AlN粉体混合干燥后，置于石墨模具中，通过热压烧结或放电等离子烧结，升温至1450～1650℃，烧结压力为25～35MPa...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟明，顾乾坤，周义，林华泰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：