[发明专利]一种超声波辅助振荡压力烧结氮化硅陶瓷的方法

说明书

本发明公开了一种超声波辅助振荡压力烧结氮化硅陶瓷的方法，其包括有以下工艺步骤：a、于氮化硅粉体中加入氧化铝粉体、氧化钇粉体，搅拌混合后获得氮化硅混合粉体；b、氮化硅陶瓷坯件借助油压机并辅助超声波进行压制；c、将氮化硅陶瓷坯件装入至烧结炉内的石墨模具内；d、超声波辅助预压并加热升温；e、施加振荡压力耦合并辅助超声波；f、降温并泄压；g、随炉自然冷却。通过上述工艺步骤设计，本发明能够有效地生产制备氮化硅陶瓷，且通过施加振荡压力并辅助超声波的方式可以有效抑制晶粒生长并将晶粒尺寸控制在较窄的尺寸区间内，还能够有效促进晶界处闭气孔的排出，且所制备而成的氮化硅陶瓷致密度高、硬度高、强度高。

技术领域

本发明涉及氮化硅陶瓷制备技术领域，尤其涉及一种超声波辅助振荡压力烧结氮化硅陶瓷的方法。

背景技术

传统压力烧结方法是通过施加压力提高粉料烧结性能的方法，其主要有热压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结三种方法。其中，对于热压烧结方法而言，其是指在烧结的同时对粉末施加单向或双向的压力，压力的范围可以从几十个MPa 到几个GPa；目前热压烧结的压力逐渐提高，当压力超过1GPa 时，又称为超高压热压烧结；由于热压烧结时施加较高的压力，可以有效地促进粉末的致密化并抑制晶粒长大，目前热压烧结方法被广泛地应用于陶瓷、硬质合金、金属间化合物以及复合材料等。对于热等静压烧结方法而言，其是在烧结时用惰性气体、液态或者固态媒介对粉末各个方向施加相等的压力，可以较好地消除粉料中的孔隙并抑制晶粒生长。对于放电等离子烧结方法而言，其是一种快速、节能、环保的材料制备加工技术，在特有的电场、应力场、温度场作用下，实现各种结构与性能新材料的烧结；在场活化烧结时，应力的施加有利于团聚粉末的破碎和颗粒的重排，可以减少团聚体在烧结后引入的大量缺陷和气孔，进而获得致密的材料；在烧结的最后阶段，压力能促进塑性流动和扩散蠕变，提高场活化烧结材料的致密度，且随着施加载荷的增加，压力能提高烧结驱动力，有利于降低最终烧结温度。

具体而言，压力烧结过程中粉体的变形是在应力和温度的同时作用下进行的，物质迁移可以通过位错滑移、攀移、扩散、扩散蠕变等多种机制完成。

上述三种压力烧结方法可以明显降低体系的烧结温度、缩短烧结保温时间并减少或者不使用烧结助剂，同时还可以抑制晶粒粗化并促进坯体致密化，因此所制备的陶瓷构件具有较高的力学性能和可靠性。然而，目前液压系统的限制使得上述烧结方法所施加的压力都是静态压力，表现为压头处恒定的压力值；压力烧结中恒定压力的局限性主要表现在：1、烧结开始前，恒定压力无法充分实现颗粒重排而且颗粒团聚体无法充分解聚；2、烧结后期，恒定压力下晶界处的残留闭气孔无法有效排除，而闭气孔是制约结构陶瓷力学性能的重要因素。

需进一步指出，在将压力烧结技术用于纳米陶瓷的烧结时，发现了许多新的局限，纳米陶瓷烧结时普遍存在“阈值”，即在一定温度下压力必须大于一定值才能促进陶瓷致密化，而低于这一数值压力的作用可以忽略不计；研究表明，阈值与晶粒尺寸有关，晶粒越小，阈值越大。在纳米陶瓷烧结过程中，由于软团聚难以有效破碎，烧结过程中团聚体内部首先出现致密化，与基体之间产生张力，导致裂纹状大气孔的出现；同时因石墨模具的限制，外压不足以克服塑性滑移所产生的阈值，因此大气孔无法压碎，使材料的烧结密度低于相同温度下无压烧结的材料。故而，要提高纳米材料的烧结密度，通常从以下两个方面着手：一是提高初始压力，以彻底破碎粉体中的软团聚；二是提高烧结中的外压力，以促进塑性滑移的进行。但是，目前压力烧结通常采用石墨模具，而石墨模具所能承受的应力有限，进一步提高外压力比较困难。总之，目前的恒定压力烧结设备尚无法充分发挥压力因素对陶瓷烧结过程中致密化和晶粒生长的作用。