[发明专利]一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，属于特种、功能陶瓷材料技术领域。

背景技术

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：(1)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℃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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术解决方案：一种致密化氮化硅陶瓷材料的制备方法，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γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-氨丙基三甲氧基硅烷等。

本发明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0.1～2.0μm，平均粒径为0.5μm。氮化硅粉体纯度大于98.0wt％，其中α-Si₃N₄含量不低于93.0wt％。0.5μm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、5.0μm中的一种或几种。

氨基氮化硅陶瓷粉体通过以下步骤实现，

A1.1、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％。

A1.2、将一定量的氮化硅陶瓷粉体加入到步骤A1.1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℃，反应时间为3～6小时。

A1.3、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℃，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5μm，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。