一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法技术

本发明专利技术提出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。本发明专利技术对氮化硅陶瓷粉体进行表面修饰，可制得高固含量的浆料，通过注浆工艺，实现氮化硅颗粒的密堆积，再通过烧结制备得到高致密的氮化硅陶瓷材料，整个生产过程及设备简单、无须加压，且生产成本低、效率高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提出，通过对氮化硅陶瓷粉体进行表面修饰、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。本专利技术对氮化硅陶瓷粉体进行表面修饰，可制得高固含量的浆料，通过注浆工艺，实现氮化硅颗粒的密堆积，再通过烧结制备得到高致密的氮化硅陶瓷材料，整个生产过程及设备简单、无须加压，且生产成本低、效率高。【专利说明】
本专利技术涉及，属于特种、功能陶瓷材料
。
技术介绍
随着航空航天技术的发展，飞行器的飞行马赫数不断提高，对陶瓷材料的性能提出了更高要求，传统陶瓷材料不能满足以上综合要求，高性能陶瓷及陶瓷基复合材料成为各国研究的重点。其中，氮化硅具有高强度、高硬度、抗热震等一系列优良性能，其成型方法和加工工艺成为科研单位研究的热点之一。目前，致密氮化硅陶瓷材料的制备方法主要有以下几种:(I)热压法，将氮化硅粉末与烧结助剂充分混合后置于石墨模具中，一面用高频电流加热石墨模具或通过发热体直接加热原料，一面对其加压烧结。热压法可得到致密度大于95.0%的高强氮化硅陶瓷。但这种方法只能制造形状简单的制品，而且由于单向加压，使性能在与热压面平行及垂直方向有异。(2)热等静压法，将氮化硅成型坯放在高压釜中，用氮气作为压力传递的介质，在高温高压下使素坯致密化。使用热等静压所得制品性能优于其它方法制备氮化硅，但热等静压工艺复杂，模具材料要求高，能源消耗大，生产控制要求严，生产效率较低。(3)气压烧结法，该方法是将氮化硅坯体放入5~12MPa的氮气中于1800~2100°C下进行烧结。较高的氮气压力有效地抑制了氮化硅的分解，可以以更高的温度对其进行烧结，而且有利于选用能形成高耐火度晶间相的烧结助剂，来提高材料的高温性能。但气压烧结过程及设备复杂，能源消耗大,生产成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术不足，提供了一种工艺过程及设备简单、生产成本低、效率高、烧结体性能优异的致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法。本专利技术的技术解决方案:，通过以下步骤实现:第一步，采用氨基硅烷偶联剂对氮化硅陶瓷粉体进行表面修饰，得到氨基氮化硅陶瓷粉体；氨基硅烷偶联剂对氮化硅陶瓷粉体进行表面修饰，使氮化硅陶瓷粉体表面含有氨基，在后续制备浆料的步骤中，能提高氮化硅陶瓷粉体在去离子水中的分散性，得到高固含量(固含量> 60%，固含量=陶瓷粉体质量/(陶瓷粉体与去离子水的总质量)，陶瓷粉体由氨基氮化硅陶瓷粉体和烧结助剂组成)的陶瓷浆料。氨基硅烷偶联剂采用常用的偶联剂种类，如Y-氨丙基二乙氧基硅烷或Y _氨丙基二甲氧基硅烷等。本专利技术对氮化硅陶瓷粉体没有特殊要求，能满足工程应用要求即可，氮化硅陶瓷粉体的粒径分布在0.1~2.0 μ m，平均粒径为0.5 μ m。氮化硅粉体纯度大于98.0wt%，其中C1-Si3N4含量不低于93.0wt%。0.5μπι氮化硅陶瓷粉体中可以添加其他粒径尺寸的氮化硅粉体进行颗粒级配，包括0.3,0.5、1.0、5.0 μ m中的一种或几种。氨基氮化硅陶瓷粉体通过以下步骤实现，Al.1、用有机溶剂配制氨基硅烷偶联剂稀释液；有机溶剂为常规种类，如乙醇、乙二醇等，配制成稀释液是为了降低氨基硅烷偶联剂粘度，提高工艺性，工程上根据实际粘度和工艺性选择合适浓度，氨基硅烷偶联剂稀释液浓度一般为20~50%。Al.2、将一定量的氮化硅陶瓷粉体加入到步骤Al.1配制的氨基硅烷偶联剂稀释液中，在一定温度下反应一定时间，得到氨基氮化硅陶瓷溶液；氨基硅烷偶联剂占氮化硅陶瓷粉体质量的10%~25%，在表面修饰过程中氨基硅烷偶联剂加入太少，起不到修饰作用，氨基硅烷偶联剂加入太多，粘度太高，影响工艺性。氨基硅烷偶联剂添加量在10%~25%范围内变化时，最终制品的密度、致密度和强度随之增加呈现出先增加后减小的趋势，在氢基硅烷偶联剂添加量为20%时各项性能最优。在加热的条件下对氮化硅陶瓷粉体进行表面修饰，反应温度和时间只要保证能完成反应即可，工程上一般采用反应温度为70~90°C，反应时间为3~6小时。Al.3、真空干燥氨基氮化硅陶瓷溶液制得氨基氮化硅陶瓷粉体。在加热条件下进行真空干燥，可以缩短干燥时间，干燥温度和时间保证氨基氮化硅陶瓷粉体充分干燥即可，工程中一般取干燥温度为70~90°C，时间不少于20小时。第二步，制备陶瓷料浆，将第一步得到氨基氮化硅 陶瓷粉体、烧结助剂与去离子水和分散剂球磨共混制得陶瓷料浆，采用氨水调节陶瓷料浆PH值至10~11 ;烧结助剂为二氧化硅、氧化铝、氧化钇或氧化镱陶瓷粉体中的一种或几种混合。烧结助剂的粒径小于5 μ m,粉体纯度不低于99.0 %。氨基氮化硅陶瓷粉体为80.0~90.0wt %，烧结助剂10.0~20.0wt %，烧结助剂添加量是本领域常规比例。去离子水用来调节工艺性，其添加量根据实际情况确定，本专利技术能制备高固含量的陶瓷浆料，一般工程上为:陶瓷粉体(氨基氮化硅陶瓷粉体与烧结助剂)68.0~80.0wt%，去离子水20~32wt% ;分散剂用来提高陶瓷粉体在去离子水中的分散性，可以选用四甲基氢氧化铵(TMAOH)、聚丙烯酸铵或聚甲基丙烯酸铵，也可根据需要选择其他种类，其添加量根据实际情况确定，一般工程上经验值为陶瓷粉体的2.0~3.4wt%。将陶瓷粉体、去离子水和分散剂混合后，采用行星式球磨机共混均匀，一般球磨转速为100~400rpm，时间为0.5~2.0小时即可，也根据实际情况适当调整转速和时间。行星球磨机进行机械共混的研磨球为氧化铝、氮化硅或氧化锆材质，研磨球尺寸包括5、10、20毫米三种球径。对制得的料浆进行真空搅拌除气泡，真空搅拌操作的真空度控制在-0.9MPa左右。本专利技术可采用上述通用方法进行浆料的制备，也可采用如下方法进行制备:氨基氮化硅陶瓷粉体分两步加入，将一部分氨基氮化硅陶瓷粉体与去离子水、烧结助剂和分散剂球磨共混后，再加入剩余质量的氨基氮化硅陶瓷粉体球磨混合均匀；首先加入的氨基氮化硅陶瓷粉体质量根据浆料的粘度和工艺性来选择，一般在氨基氮化硅陶瓷粉体总质量的1/3~1/2即可，在工程中根据实际情况选择；采用此种制备方法可以有效降低浆料的粘度，增加工艺性，提高陶瓷粉体在去离子水中的分散性。第三步，注衆，将第二步制得的陶瓷料浆注入石膏模具中；采用注浆成型，石膏模具将陶瓷料浆中的水吸走，固化成坯。可以利用微孔树脂模具代替石膏模具成型。第四步，固化脱模，得到氮化硅陶瓷材料素坯；将注有陶瓷料浆的石膏模具置于烘箱中，在一定温度下固化，得到氮化硅陶瓷材料素坯；固化是要使陶瓷浆料中的氮化硅颗粒在模具中密堆积，其固化温度和时间根据实际情况选择，工程中一般选用的固化温度为25~30°C，固化时间为0.5~5.0小时；固化温度越高，所需固化时间越短；固化温度越低，所需固化时间越长。第五步，氮化硅陶瓷材料素坯干燥；将氮化硅陶瓷材料素坯从石膏模具中取出，室温下干燥，一般干燥时间为48~96小时即可。氮化硅陶瓷材料素坯脱模时，利用压缩空气通过脱模气管及石膏模具背层向坯体表面施压，压力为0.2~0.3MPa，使坯体在压力作用下脱离模腔，完成坯体与模具脱离。氮化硅陶瓷材料素坯干燥过程中会有开裂现象，为提高质量和合格率，可采用如下方法进行干燥: 氮化硅陶瓷材料素坯干燥采用分段恒温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于通过以下步骤实现：第一步，采用氨基硅烷偶联剂对氮化硅陶瓷粉体进行表面修饰，得到氨基氮化硅陶瓷粉体；第二步，制备陶瓷料浆，将第一步得到氨基氮化硅陶瓷粉体和烧结助剂与去离子水和分散剂球磨共混制得陶瓷料浆，调节陶瓷料浆PH值至10～11；第三步，注浆，将第二步制得的陶瓷料浆注入石膏模具中；第四步，固化脱模，得到氮化硅陶瓷材料素坯；第五步，氮化硅陶瓷材料素坯干燥；第六步，烧结，得到致密化氮化硅陶瓷材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，吕毅，王涛，余娟丽，余悠然，张天翔，赵英民，裴雨辰，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：