[发明专利]一种制备纳米/纳米型Si3N4/SiC纳米复相陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纳米/纳米型Si₃N₄/SiC纳米复相陶瓷的方法，属于材料制备技术领域。

技术背景

纳米复相陶瓷是近些年兴起的一种新的提高陶瓷力学性能的方法，与传统的微米级多晶陶瓷不同，纳米陶瓷在纳米尺度上对材料的微观结构进行调控，进而改善和提高陶瓷的综合性能。研究表明，不同系列的纳米复相陶瓷，断裂强度提高2～3倍，断裂韧性提高2～4倍，使用温度大大提高。纳米复相陶瓷现已成为提高陶瓷材料性能的一个重要途径，成为当今高温结构陶瓷研究的热点之一。

Si₃N₄/SiC复相陶瓷比单相Si₃N₄或单相SiC具有更加优良的性能，如比SiC材料高得多的断裂韧性，比Si₃N₄材料更好的高温强度，抗蠕变性及高温抗氧化性，耐磨损，耐腐蚀等，在高新技术领域和现代工业生产中有着广阔的应用前景。自从日本Niihara等人采用SiCN非晶粉为原料制备出纳米SiC颗粒增强Si₃N₄基体的Si₃N₄/SiC复相陶瓷，并发现其力学性能显著提高，抗弯强度达到1550MPa，Si₃N₄/SiC纳米复相陶瓷以其优异力学性能成为下一代高温结构陶瓷首先体系。

在已有的研究工作中，大多是采用纳米SiC晶粒与亚微米Si₃N₄粉体，或纳米SiCN粉末与亚微米Si₃N₄粉混合，并引入Y₂O₃，Al₂O₃，La₂O₃，MgO等烧结助剂，在1750℃～1900℃高温下烧结而成，最终得到的是纳米颗粒和微米颗粒组成的晶内/晶界型纳米复相材料。而且，已有的研究工作是直接采用纳米粉(如纳米SiC)，这种方法存在一些主要问题如：(1)引入的纳米SiC粉很难均匀分散，从而容易导致材料显微结构不均匀，比如某些团聚的纳米SiC富集在于Si₃N₄晶界处；(2)由于纳米晶陶瓷粉的巨大比表面容易形成团聚(硬团聚或软团聚)，导致成型密度较低；(3)这种方法后续的烧结需要极高的温度(1750～1900℃)和长时间保温(2～4h)，导致晶粒过分长大。因而最后制备的纳米复相陶瓷实际上是纳米/微米型而非两相晶粒尺寸都小于100nm的纳米/纳米型的Si₃N₄/SiC纳米复相陶瓷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备纳米/纳米型Si₃N₄/SiC复相陶瓷的新方法。本发明的方法可以克服直接采用纳米、亚微米粉末工艺上带来的一些问题，在相对较低的烧结温度下快速烧结制备出两相晶粒尺寸都小于100nm的纳米/纳米型Si₃N₄/SiC纳米复相陶瓷。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该制备纳米/纳米型Si₃N₄/SiC纳米复相陶瓷的方法，其包括以下具体步骤：

1)低温交联固化：有机前驱体在保护气氛下于进行低温交联固化，得到非晶态固体；

2)高能球磨粉碎：将非晶态固体装入尼龙树脂球磨罐中在高能球磨机中进行干法球磨粉碎；

3)高温热解：高能球磨后的混合物进行高温热解，在一定热解温度于保护气氛下热解一定时间得到SiCN粉末。

4)高能球磨粉碎：将SiCN粉末装入尼龙树脂球磨罐中在高能球磨机中进行干法球磨粉碎，球磨的同时引入烧结助剂，使得非晶态粉末与烧结助剂混合均匀；

5)放电等离子体烧结(SPS)：高能球磨后的混合物进行SPS快速烧结，得到两相晶粒尺寸都小于100nm的纳米/纳米型Si₃N₄/SiC纳米复相陶瓷。

所述步骤(1)中，使用的原料为聚硅氮烷，亦可采用其他化学成分的有机前驱体从而制备出其他材料体系的纳米复相陶瓷。

所述步骤(1)和(3)中，所使用热解设备为管式气氛烧结炉，亦可采用其他气氛烧结炉。为了防止氧化和污染，采用的保护气体为N₂，也可采用NH₃和Ar等惰性气体。