[发明专利]一种晶粒[00l]高度定向的氮化硅基陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明属于氮化硅基陶瓷材料领域，公开了一种晶粒[00l]高度定向的氮化硅基陶瓷材料及其制备方法。所述氮化硅基陶瓷是将致密度为50％以上的氮化硅基陶瓷素坯经表面喷涂离型剂后至于高温可塑性套环中形成一整体，并将该整体放入通孔模具中，再在该整体端面涂敷润滑剂，以柱状空心加压杆为阳模，将模具及素坯套环部件一体置于高温炉中，在1600～1900℃下经阳模轴向加压20～80MPa煅烧制得。本发明的方法可获得晶粒尺寸小，部件尺寸范围大的产品，并且制备时间短，条件温和，容易实现大规模生产，成本低。本发明获得的晶粒定向氮化硅陶瓷在轴向上具有优异的强度、韧性、抗高温蠕变性和导热性、耐磨性。

技术领域

本发明属于氮化硅基陶瓷材料领域，更具体地，涉及一种晶粒[00l]高度定向的氮化硅基陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有良好的高强度、高韧性、高导热性并具有良好的耐磨性，是应用最广泛的工程陶瓷之一。大部分致密的氮化硅陶瓷由β-Si₃N₄晶粒和烧结添加剂组成，其中烧结添加剂在高温下具有较低粘度，促进陶瓷的烧结。β-Si₃N₄晶粒通常呈长柱状，由于其六方晶体类型，从而具有各向异性的物理性质。因此在某些应用场合均匀的，晶粒随机取向的氮化硅材料难以发挥最优性能。基于这一特性，可以通过晶粒定向织构，即c轴[00l]或a,b轴[hk0]晶粒取向来获得材料的性能。与a,b轴晶粒取向相比，c轴取向能更有效地获得更好的择优取向性能。在c轴取向的氮化硅中，平行于晶粒取向方向的强度可高达1.4GPa，垂直晶粒取向方向的裂纹扩展韧性可达14MPa·m^1/2。并且沿晶粒取向方向的导热系数可高达176Wm^-1K^-1。

目前[00l]定向的氮化硅陶瓷可通过膏状物常温挤出成型，强磁场定向成型，并由后续烧结制备。但是常温挤出的方法需要添加长柱状的β-Si₃N₄晶种，并且需要高温长时间保温以获得较高密度，由于过大的晶粒尺寸其力学性能特别是硬度较差；另一方面，使用旋转强磁场的条件非常极端苛刻，并且可制备的尺寸很小，这将严重增加成本和限制其应用。开发一种简单的制备高度[00l]定向的氮化硅通常的方法具有重要的意义。为解决这些问题，基于陶瓷中氮化硅晶粒由玻璃相粘结结合，在高温下可以实现一定程度的塑性变形。结合在烧结过程的收缩，通过介质传压，控制陶瓷的烧结收缩以及变形方向，可诱导具有细晶粒的氮化硅陶瓷颗粒发生高应变速率的旋转，晶粒生长和可颗粒重排，从而实现大规模，低成本制备细晶结构，具有性能高度择优取向的高性能氮化硅基陶瓷材料。目前以该技术制备晶粒[00l]高度定向的氮化硅基陶瓷材料未见报导。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种晶粒[00l]高度定向的氮化硅基陶瓷的制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种晶粒[00l]高度定向的氮化硅基陶瓷的制备方法，该方法通过将致密度为50％以上的氮化硅基陶瓷素坯经表面喷涂离型剂后至于高温可塑性套环中形成一整体，并将该整体放入通孔模具中，再在该整体端面涂敷润滑剂，以柱状空心加压杆为阳模，将模具及素坯套环部件一体置于高温炉中，在1600～1900℃下经阳模轴向加压20～80MPa煅烧5～120min制得；所述的晶粒[00l]高度定向的氮化硅基陶瓷，所述氮化硅基陶瓷中80％以上长柱状Si₃N₄晶粒的[00l]晶向方向与加压杆轴向的夹角小于30°，夹角角度平均值为2～15°；所述氮化硅基陶瓷的定向指数为0.67～0.96。