[发明专利]一种通过自扩散制备Si3N4梯度材料的方法

说明书

本发明公开了一种通过自扩散制备Si₃N₄梯度材料的方法。本发明以Si₃N₄和MO₂(M＝Ti，Zr，Hf)粉为原料，以MgO‑Re₂O₃为烧结助剂，经混料、干燥后得到混合粉体；混合粉体经过冷等静压后，将样品埋粉后放入烧结炉中，最终获得Si₃N₄梯度材料；本发明方法得到的Si₃N₄材料表面为一层梯度MN层，MN作为一种高硬度、耐磨以及导电相物相，在提高Si₃N₄陶瓷的表面硬度、抗磨损性的同时，还可实现直接对其表面进行涂层处理；且相对密度高于95％，表层硬度为18～25GPa，断裂韧性为10～14MPa·m^1/2，抗弯强度为1000～1500Mpa，梯度层厚度为10～200μm。

技术领域

本发明涉及非氧化物陶瓷基复合材料技术领域，特别涉及一种通过自扩散制备Si₃N₄梯度材料的方法。

背景技术

Si₃N₄陶瓷材料作为一种结构材料，具有优异的力学性能，例如高硬度、高强、耐磨、耐高温等优异性能，可广泛应用于轴承、高速切削刀具、装甲等方面，但在极高温以及高速切削等恶劣条件下仍然容易磨损，寿命有限，所以需要对表面进一步增强，加强其使用可靠性，对于Si₃N₄陶瓷通常可进行制备梯度材料，或者对其进行PVD、CVD涂层处理。

目前梯度材料的制备主要是通过将不同配方或不同原料的材料烧结为一体，实现表层与硬度具有不同的性能，但是由于表层与芯部材料在成分、结构上的差别，使得两者的结合力较弱，有的甚至在烧结过程中都会出现表层与芯部的脱离，这极大地弱化了梯度材料的应用；同样地，对于不导电材料运用PVD、CVD技术时，需要对改材料表面覆盖一层导电层，再对其进行涂层处理，然而在基体与导电层之间仍然存在结合力不足的问题，并且PVD、CVD技术往往还存在涂层太薄防护效果不佳这一缺陷。

基于以上应用背景，急需寻求一种方法实现梯度材料的制备，并且梯度层不仅厚度可调而且之间具有较强的结合力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种通过自扩散制备SiN4梯度材料的方法。该方法简单，得到的梯度材料，表层和内里结合紧密。

本发明中，通过MO₂(TiO₂，ZrO₂，HfO₂)往表面扩散，并且扩散后MO₂的量从外到里逐渐减少，扩散的MO₂再与Si₃N₄进行反应，得到梯度MN结构。

本发明的目的通过下述技术方案实现。

一种通过自扩散制备Si₃N₄梯度材料的方法，包括以下步骤：

(1)以Si₃N₄和MO₂，M＝Ti，Zr，Hf粉为原料，以MgO-Re₂O₃为烧结助剂，经混料、干燥后，得到Si₃N₄-MO₂-MgO-Re₂O₃混合粉体；