[发明专利]一种易烧结AlN多型体-Sialon复相材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种易烧结AlN多型体-Sialon复相材料及其制备方法，属于陶瓷材料和烧结技术领域。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)是一种性能优良的工程材料，已经被广泛应用于各工业领域。由于其含氮量高，纯氮化硅陶瓷难以烧结，必须添加烧结助剂才能获得较致密的烧结体。上世纪七十年代初，人们在研究烧结助剂的影响时发现一种含有Si-Al-O-N的固溶体，即Sialon材料。Sialon作为一种性能优良的新型工程材料，在磨具和模具材料、金属切削刀具、热工设备、钢铁冶炼和化工机械等领域有着广阔的应用前景。Sialon材料包括多种晶体结构不同的物相，如α-Sialon、β-Sialon、O′-Sialon、X-Sialon、AlN多型体、JEM相Sialon、S相Sialon、M相Sialon、U相Sialon等(参照非专利文献1)。因其结构不同，其力学性能、物理性能和烧结性能也存在差异。

在Si-Al-O-N系统中，组份位于β-Sialon和AlN之间存在几种Sialon，它们具有四面体层状AlN纤维锌矿型结构，称之为AlN多型体(或称为Sialon多型体)。AlN多型体的组份可用M_mX_m+1表示，其中M代表金属原子Si/Al，X代表非金属原子O/N，m为整数(4≤m≤13)。常见的几种AlN多型体用Ramsdell符号可表示为8H、15R、12H、21R、27R和2H^δ等。由于AlN多型体具有纤维状或板片状的形貌，且大部分AlN多型体与α-Sialon和β-Sialon相可以共存，故人们一般将其引入上述材料基质中起增强或增韧作用。与其他Sialon物相性能不同，虽然AlN多型体的室温抗折强度较低(313～366 MPa)，但其具有随着温度升高、抗折强度增加较明显的特殊性能，可作为高温结构部件等。尤其是在1000-1300℃的范围内，它们的高温抗折强度超过500 MPa(参照非专利文献2)。

虽然AlN多型体具有优越的高温力学性能，但其组份与AlN十分接近，较高的含氮量使其非常难以烧结。以往的研究均采用热压烧结工艺、在较高温度(1750～2100℃)下、且需添加烧结助剂才能使AlN多型体致密化。复杂的工艺条件和超高的烧结温度，使AlN多型体材料很难实现工业应用。

本发明专利通过原料配方和工艺设计，获得一种具有易烧结的AlN多型体-Sialon复相材料及其制备方法。本发明对烧结设备、烧结工艺等的要求低，并可较大幅度地降低烧结温度，易实现AlN多型体基Sialon复相材料的工业生产。

非专利文献1：S.F.Huang，et al.，Dalton Tran.，40(2011)1261-1266.

非专利文献2：H.X.Li，et al.，J. Eur.Ceram.Soc.，15(1995)697-701.

发明内容

本发明的目的在于制备一种易烧结的AlN多型体-Sialon复相材料，使其在简易的烧结工艺设备条件要求，并可较大幅度地降低烧结温度，易实现AlN多型体基Sialon复相材料的工业生产。

本发明提出的一种易烧结AlN多型体-Sialon复相材料的制备方法，其特征在于：以稀土氧化物Ln₂O₃、Si₃N₄、AlN和Al₂O₃为原料，在非氧化性气氛、气氛压力1Pa～10MPa、温度1400℃～2000℃、反应时间0.1小时～12小时的条件下，制备得到一种以AlN多型体、β-Sialon即Si_6-zAl_zO_zN_8-z、和U相Sialon即Ln₃Si_3-xAl_3+xO_12+xN_2-x为主要物相的Sialon复相材料。

在上述Ln-Sialon单晶体的制备方法中，所述稀土氧化物Ln₂O₃占总配料的质量比为4％～15％，Si3N4占总配料的质量比为27％～45％，AlN占总配料的质量比为25％～55％，Al₂O₃占总配料的质量比为10％～45％。