[发明专利]氮化硅基复合陶瓷材料及其微波烧结制备方法

说明书

本发明公开了一种氮化硅基复合陶瓷材料及其微波烧结制备方法。本发明的氮化硅基复合陶瓷材料，以重量百分数计，包含如下成分：α‑Si₃N₄68％～75％、Y₂O₃3％～5％、MgO 3％～5％、Al₂O₃2％～4％、(W,Ti)C 15％～20％、Ni 1％～4％。本发明的氮化硅基复合陶瓷材料以微波介质做热源，在氮气气氛保护下，通过优化组分配比、烧结温度、保温时间等工艺参数，采用微波烧结技术，以较快的升温速率制备得到。本发明制备的陶瓷材料不但具备较高的硬度，同时还有良好的韧性，综合性能最高的样品硬度达到17.27±0.26GPa，韧性达到7.35±0.57MPa.m^1/2。

技术领域

本发明属于微波烧结材料技术领域，涉及一种氮化硅基复合陶瓷材料及其微波烧结制备方法。

背景技术

氮化硅陶瓷是一种耐磨性好、抗热震性强和力学性能优良的陶瓷材料，尤其是它优良的高温特性，即使在1300℃下仍具备较高的强度，可应用于航空航天用部件、轴承、高速切削刀具等领域。目前，氮化硅陶瓷多使用传统烧结方式制备，如反应烧结、无压烧结、气压烧结、热压烧结、热等静压烧结等。然而传统烧结存在许多弊端，如设备和维护成本高昂；采用热辐射、热传导的加热方式会引起材料内的温度梯度较大，材料内部容易产生残余应力；制备周期长，效率低，不利于材料的批量生产等。微波烧结作为一种高效、节能、环保的新型烧结方式，引起了很多学者的关注和研究。

目前，氮化硅陶瓷材料的微波烧结工艺仍不完善，且仍停留在单相氮化硅材料的制备阶段，其报道也相对较少。从现有文章(W.Xu,et al,Effects of sinteringadditives on mechanical properties and microstructure of Si₃N₄ ceramics bymicrowave sintering,Materials Science and Engineering:A,684(2017)127-134)可知，添加质量分数5％氧化钇、5％氧化镁和2％氧化铝作为助烧剂，使用微波烧结方式可制备出硬度最高达到14.92±0.20GPa，断裂韧性达到6.44±0.02MPa.m^1/2的单相氮化硅陶瓷材料。与其它陶瓷材料相比，其韧性相对较高，但硬度偏低。专利申请号201610481430.9制备了一种氮化硅-碳化硅复合陶瓷，其以MgO为助烧剂，以碳化硅作为增强增韧相，当碳化硅含量为10％、烧结温度为1600℃时，其最高硬度达到15GPa，韧性为7.1MPa·m^1/2，其性能提升并不明显，且制备工艺繁琐，尤其是埋粉烧结方式的应用会提高相应制备成本，内部形成较大的温度梯度造成样品性能不稳定。因此，对微波烧结氮化硅复合陶瓷还需要进一步的研究。

综上所述，现有的氮化硅陶瓷材料的微波烧结工艺还有待改善，所制备的氮化硅陶瓷力学性能还有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化硅基复合陶瓷材料，该材料是在氮化硅基体中添加适量的助烧剂、增强增韧相和金属相，通过优化各相的组分比例，提高材料综合力学性能，使其具有高硬度和高韧性。

实现上述目的的技术方案如下：

氮化硅基复合陶瓷材料，以重量百分数计，包含如下成分：α-氮化硅(α-Si₃N₄)68％～75％，氧化钇(Y₂O₃)3％～5％，氧化镁(MgO)3％～5％，氧化铝(Al₂O₃)2％～4％，碳化钨钛((W,Ti)C)15％～20％，镍(Ni)1％～4％。