[发明专利]一种硼化物增强增韧氮化硅陶瓷及其制备方法

说明书

本发明属于非氧化物基陶瓷领域，公开了一种硼化物增强增韧氮化硅陶瓷及其制备方法。该氮化硅陶瓷是将α‑Si₃N₄粉和烧结助剂MgO‑Re₂O₃、MB进行高能剪切混合处理后得到α‑Si₃N₄‑MgO‑Re₂O₃‑MB的混合粉体，将混合粉体在氩气气氛下，升温至1450～1550℃并保温，保温过程轴向加压为10～50MPa，经热压烧结制得。本发明采用低温热压烧结，通过向氮化硅陶瓷中引入MB粉并结合高能剪切混合处理方式，在保证高硬度的前提下，提高了其抗弯强度和断裂韧性。该陶瓷的相对密度为97～100％，硬度为19～25GPa，断裂韧性为5～10MPa·m^1/2，抗弯强度为500～1000MPa。

技术领域

本发明属于非氧化物基陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种硼化物增强增韧氮化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

Si₃N₄是一种强共价键化合物，很难通过固相烧结达到致密。因此，一般采用液相烧结来制备高性能Si₃N₄陶瓷。在液相烧结过程中通常伴随α→β-Si₃N₄的相变，α-Si₃N₄属低温稳定晶型，具有等轴状晶体形貌，硬度较高，但韧性低；β-Si₃N₄属高温稳定晶型，具有长棒状或针状晶体形貌，抗弯强度和断裂韧性较高，但硬度低。国内外常用的Si₃N₄陶瓷零部件基本都是β-Si₃N₄相，具有优良的抗弯强度、断裂韧性及高温稳定性，但其硬度较低，故其应用范围也受到限制。

目前，有关提高Si₃N₄陶瓷硬度的文章主要集中在细化显微结构、降低烧结温度、引入低含量烧结助剂或纳米颗粒、采用SPS或其他场辅助烧结技术。如，Xu等以超细β-Si₃N₄粉体为原料，通过高能球磨和SPS烧结技术制备出晶粒直径为70nm的Si₃N₄陶瓷[X.Xu,T.Nishimura,N.Hirosaki,R.J.Xie,Y.Zhu,Y.Yamamoto,H.Tanaka,New strategies forpreparing nano-sized silicon nitride ceramics,J.Am.Ceram.Soc.88(2005)934–937.10]。Yu等通过SPS烧结技术获得硬度达～21GPa的Si₃N₄陶瓷，但韧性较低，仅为～3.5MPa·m^1/2[J.J.Yu,W.M.Guo,W.X.Wei,H.T.Lin,C.Y.Wang,Fabrication and wearbehaviors of graded Si3N4ceramics by the combination oftwo-step sintering andβ-Si₃N₄seeds,J.Eur.Ceram.Soc.38(2018)3457–3462.]。在提高Si₃N₄陶瓷韧性方面，研究学者普遍通过相变、提高烧结温度或引入β-Si₃N₄晶种来实现[W.M.Guo,J.J.Yu,M.Xiong,S.H.Wu,H.T.Lin,High–toughness Lu₂O₃-doped Si₃N₄ceramics by seeding,Ceram.Inter.42(2016)6495–6499.]，但也因此会降低硬度[H.Hyuga,M.I.Jones,K.Hirao,Y.Yamauchi,Influence ofrare–earth additives on wear properties ofhot–pressedsilicon nitride ceramics under dry sliding conditions,J.Am.Ceram.Soc.87(2004)1683–1686.]。基于此，平衡好Si₃N₄陶瓷的硬度和韧性，制备出高硬度、高韧性和高强度Si₃N₄陶瓷可进一步拓宽其应用前景。