[发明专利]一种梯度层状结构氮化硅陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度层状结构氮化硅陶瓷的制备方法，本发明首先筛选出具有有效地降低氮化硅陶瓷颗粒的折射率差的表面改性剂，增加其固化深度。申请人对比改性前后的氮化硅陶瓷浆料的流变性能、动力学稳定性、润湿性能和光固化性能，揭示了改性氮化硅陶瓷浆料的光固化成形机制。利用该机制改善了氮化硅陶瓷浆料的流变性能、动力学稳定性、润湿性能和光固化性能，能够制备得到具有高致密度、硬度和断裂韧性的氮化硅陶瓷。

技术领域

本发明涉及氮化硅陶瓷成形技术领域，具体讲是一种梯度层状结构氮化硅陶瓷的制备方法。

背景技术

氮化硅陶瓷因其具有高硬度、较低热膨胀系数及高断裂韧性，使得氮化硅陶瓷组件例如，排气门、气门弹簧、铲斗挺杆、摇臂垫等在工业领域具有广泛应用。氮化硅陶瓷同时具有的高耐磨性能和抗热冲击性能，使其在机械加工领域得到了广泛的应用。因其优良的热电性能和耐腐蚀性能使得其在热导体、阀门、催化剂载体、火花塞等电机领域也得到了广泛的应用。此外，其优良的综合物理性能，使其成为高温气冷反应堆核聚变反应堆的候选材料。

与此同时，氮化硅陶瓷夹层结构作为导弹天线罩，其性能直接影响导弹的制导性能，其中具有宽频高透波性能的天线罩罩壁结构以夹层结构为主。

然而传统的机械加工方法制造结构复杂的陶瓷零件，存在周期长、加工成本高、严重依赖模具等问题。相比较，增材制造技术在没有模具的情况下，可实现复杂的陶瓷零件的制备。其中，光固化在制备高精度、复杂的陶瓷零件具有不可比拟的优势，已经应用于医学与生物领域(如牙齿和骨骼修复)、微技术领域(如传感器、压电元件及光子晶体)及机械耐热结构领域等。光固化成形技术是将光敏树脂和陶瓷粉末混合而成的浆料，利用紫外线光束照射使其发生聚合反应形成固化坯体。目前，光固化已经成功地制备出复杂、致密的氧化物陶瓷。Zhou等人研究了用光固化成形出了圆柱形的Al₂O₃坯体，经脱脂烧结后试样密度达到99％。Bian等人用SL生成了多孔的β-TCP支架，零件的抗压强度达到30MPa。Chartier等人研究了用体积分数60vol.％的Al₂O₃浆料，制备出了致密度是97％的多孔结构的陶瓷零件。He等人选用最佳的光固化工艺参数制备出复杂结构的ZrO₂坯体，并于1400℃烧结后分别获得了致密度为97.14％、硬度和断裂韧性分别为13GPa和6MPa·m^1/2的零件。

然而，目前针对氮化物陶瓷，特别是灰色或者深色氮化物陶瓷光固化成形技术的报道相对较少。这是由于氮化硅陶瓷紫外光吸收度高、折射率高、散射强，浆料的固化深度低，难于成形。与此同时，氮化物陶瓷的强共价键特性也使得其难以烧结致密化。仅有Huang等人则对氮化硅粉末进行氧化，在其表面生成纳米SiO₂膜，降低了与预混液的折射率差，制备出了致密度为97.84％的Si₃N₄陶瓷，但是SiO₂的存在能够导致其力学性能的显著下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种梯度层状结构氮化硅陶瓷的制备方法，本方法有效的改善了氮化硅陶瓷浆料的流变性能、动力学稳定性、润湿性能和光固化性能，能够制备得到具有高致密度、硬度和断裂韧性的氮化硅陶瓷。

本发明的技术解决方案如下：一种梯度层状结构氮化硅陶瓷的制备方法，包括以下具体步骤：

1)称取表面改性剂与氮化硅粉末混合球磨10-20min，然后干燥制得改性氮化硅粉末；其中，以重量份数计：表面改性剂2-5份、氮化硅粉末60-100份；

2)称取稀释剂与引发剂混合进行真空高速搅拌，得到预混液，所述搅拌的转速为1000-1350r/min，搅拌的时间为10-30min；其中，以重量份数计：稀释剂30-100份、引发剂1-10份；