本发明专利技术公开了一种两相比例可调的Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料及其制备方法。所述材料是由Si3N4和Si2N2O两相组成，且两相的重量百分比在86.64∶13.36～67.66∶32.34范围内可调。所述材料的制备方法包括：利用有序介孔二氧化硅和有机小分子碳源为原料，通过纳米浇注制得介孔碳/氧化硅复合物；将制得的介孔碳/氧化硅复合物进行碳热还原氮化反应，制得含碳Si3N4-Si2N2O复合粉体；将制得的含碳Si3N4-Si2N2O复合粉体在空气中煅烧除去残留碳，冷却。本发明专利技术制得的Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料能够满足于制备具有一定强度、韧性及抗氧化性能的热防护陶瓷材料的要求，可广泛应用于航天、冶金及化工等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种Si3N4-SiJ2O复相陶瓷材料及其制备方法，具体说，是涉及一种高强高韧抗氧化陶瓷用的、两相比例可调的Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料及其制备方法，属于陶瓷材料
技术介绍
Si3N4作为优异的结构材料在过去的几十年间得到了长足的发展。由于其优良的高温力学稳定性、抗腐蚀性，较好的抗热震性能，被广泛应用于高性能发动机、陶瓷刀具以及一些结构部件中。除了单相Si3N4材料的应用外，Si3N4基复合材料在现代冶金、化工等众多领域中也得到了推广，尤其作为高温耐腐蚀、隔热部件受到特别关注。2002年，五十铃汽车公司研制出的Si3N4-^O2复相陶瓷发动机，其优异的高温力学稳定性及耐腐蚀性能，在一定程度上解决了传统高温合金发动机零部件使用温度不能超过1050°C，而且效率较低的问题；同时Si3N4材料的热传导率较低，仅是Al2O3材料热传导率的20%，并且抗热冲击性能优良，热膨胀系数较小，非常适合作为隔热材料。但其韧性较低，一定程度上制约了 Si3N4材料在此方面的应用。而通过Si3N4与SiC晶须第二相复合，Si3N4基体中有一定长径比的SiC晶须的桥联、拔出增韧机制对Si3N4材料起到补强增韧作用，所制备的SiCw-Si3N4复合材料在一定程度上弥补了 Si3N4材料强度和韧性的不足，在1350°C时，其抗弯强度可达到696MPa， 室温断裂韧性为11. 4MPa · m"2，从而较好地满足了隔热应用对材料的要求。对于Si3N4-Si2N2O两相复合材料，从热力学角度考虑，Si2N2O是Si3N4-S^2平衡体系中唯一稳定的化合物，可与Si3N4相共存。此外，Si2RO陶瓷由于其优异的高温抗氧化及抗热震性能被公认为是一种高温应用领域理想的材料。Si2N2O在合成和烧结过程中发育成为具有长棒状形貌的晶粒，可作为增韧补强剂在Si3N4基体材料中发挥增韧作用。因此， Si3N4-Si2N2O两相复合材料作为应用于高温、恶劣使用环境下的热防护及透波材料，最近受到广泛的关注。目前制备Si3N4-Si2N2O复合材料主要使用Si3N4粉末、SW2粉末为原料，添加少量烧结助剂(如t03、Mg0等)，通过机械混合，反应烧结而成。但通常在使用IO3为烧结助剂时，Si3N4和S^2反应生成的产物Si2N2O中含有较多^Si2O7析晶相，此析晶相在高温时于晶界-析晶相处产生张应力，从而产生额外内部应力，造成材料整体力学性能下降，严重影响最终Si3N4-Si2N2O材料的高温性能。因此，如果使用Si3N4与Si2N2O粉末代替Si3N4、Si02粉末作为原料直接烧结，能够在一定程度上消除所生成的ISi2O7析晶相对材料高温性能的有害影响。而且，Si3N4和Si2N2O粉体的合成技术已比较成熟。合成Si3N4陶瓷粉体的方法主要有(1)碳热还原法制备Si3N4，此方法应用范围较广，但合成过程的影响因素较多，反应时间过长。(2)以Si粉为原料通过高温氮化制备 Si3N4，此方法反应简单，所需设备及工艺要求较低，但影响因素较多。合成Si2N2O陶瓷粉体的方法主要有(1)碳热还原法制备Si2N2O,此方法应用范围较广，主要是对设备及工艺要求相对较低，但合成过程的影响因素较多，且产物中杂质含量较高，反应时间过长。( 以含Si的有机物为原料制备SiJ2O,此方法对最终粉体形貌有较好控制，但工艺复杂，不易操作。( 以含硅有机前躯体通过OVD或CVD方法制备 Si2N2O,但此法只适用于薄膜沉积极少量粉末颗粒，不适用于大规模生产粉体。例如公开号为CN1268099的中国专利技术专利申请中提供了一种利用硅氮烷和硅氧氮烷作为前躯体，利用 OVD方法制备出适用于光波导用途、不含显著量氢的Si2N2O的制备方法，但此法适用于制备薄膜材料，对于大量制备Si2N2O粉体十分困难，并且设备要求较高，不易大规模生产。另一方面，不同的使用环境对材料性能有着不同的要求。控制材料最终性能有很多种方法，而通过控制材料中相成分的比例，实现对最终材料性能的控制是其中一种比较有效的手段。但是如果原始粉料不能达到纳米尺度的均勻化混合，将很难保证生成物之间能够严格服从化学计量比，最终无法实现对材料中相成分进行调控的目的。因此，原料的均勻化混合成为控制材料中相成分的关键步骤。借助纳米浇注的办法则可在一定程度上解决上述问题。例如公开号为CN101698610的中国专利技术专利申请中提供了一种利用纳米浇注法实现SBA-15和C在纳米尺度上的混合均勻的方法。此方法操作简单方便，同时又能够保证原料混合的均勻化。综上所述，目前公开发表的专利和文献报道的Si3N4-Si2N2O复相陶瓷的制备方法主要是利用机械混合Si3N4、Si&粉料，然后进行后期烧结，原位生成Si3N4-Si2N2O复相陶瓷。 由于Si2N2O生成量无法与原始设计的化学计量比严格吻合，所以此种方法较难控制Si3N4和 Si2N2O两种成分的相比例。由于原料粉体的性质直接决定陶瓷样品的最终性能，如果采用一次性合成 Si3N4-Si2N2O复合粉体的方法将能够实现混料纳米尺度的均勻化，并通过控制复合粉体中相成分的比例，从而控制复相陶瓷中两相相比例。但到目前为止，尚未检索到相关技术报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种两相比例可调的Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料及其制备方法，以解决现有技术无法实现对Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料中相成分进行调控的难题，满足于制备具有一定强度、韧性及抗氧化性能的热防护陶瓷材料的要求。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下一种Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料，由Si3N4和Si2N2O两相组成，且Si3N4与Si2N2O两相的重量百分比在86. 64 13. 36 67. 66 32. ；34范围内可调。所述的Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料由长棒状颗粒和Si3N4晶须组成，且其中的Si3N4 晶须所占的比例小于1. Owt%0所述的长棒状颗粒的长径比为1.5 1 9.0 1。所述的Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料的制备方法，包括如下具体步骤a)利用有序介孔二氧化硅和有机小分子碳源为原料，通过纳米浇注制得介孔碳/ 氧化硅复合物；b)将上步制得的介孔碳/氧化硅复合物进行碳热还原氮化反应，制得含碳 Si3N4-Si2N2O 复合粉体；c)将制得的含碳Si3N4-SiJ2O复合粉体在空气中煅烧除去残留碳，冷却，即得5Si3N4-Si2N2O复相陶瓷材料。所述的介孔碳/氧化硅复合物的制备过程推荐包括如下具体步骤①首先将有机小分子碳源溶解于去离子水中，然后滴加硫酸，搅拌使形成溶液A， 再向溶液A中加入有序介孔二氧化硅，搅拌使混合均勻，得到糊状物A ；将所得糊状物A先置于80 100°C干燥6 8小时，然后在140 160°C预碳化6 8小时，得到预碳化产物 A；②再向预碳化产物A中加入有机小分子碳源、硫酸和去离子水的混合溶液，搅拌使混合均勻，得到糊状物B ；将所得糊状物B先置于80 100°C干燥6 8小时，然后在 140 160°C预碳化6 8小时，得到预碳化产物B ；③将预碳化产物B置于管式炉中，在氮气气氛下，于700 1000°本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种Ｓｉ３Ｎ４－Ｓｉ２Ｎ２Ｏ复相陶瓷材料，其特征在于：由Ｓｉ３Ｎ４和Ｓｉ２Ｎ２Ｏ两相组成，且Ｓｉ３Ｎ４与Ｓｉ２Ｎ２Ｏ两相的重量百分比在８６．６４∶１３．３６～６７．６６∶３２．３４范围内可调。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘茜，周遥，周虎，钟红梅，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31
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