专利名称：一种耐高温、抗氧化硅氮氧陶瓷的低温制备方法
技术领域：
本发明涉及耐高温、抗氧化介电陶瓷的制紐术，特别提供了一种低温制备
耐高温、抗氧化的硅氮氧(Si2N20)陶瓷块体的方法。
背景技术：
硅氮氧(Si2N20)陶瓷是一种新型耐高温的三元材料。它具有密度低、强度 高、硬度高、抗氧化性能好、耐腐蚀、高温稳定性好、抗中子辐射、介电常謝氏 和介电损耗小等许多优良的性能。在航空、航天、核工业、超高温结构件等高新 技术领±或都有广泛的应用前景。尽管硅氮氧(Si2N20)陶瓷材料具有如此的优异 性能，但制备此陶瓷材料需對艮高的温度，从而限制了它的应用。R.Larker等(J. Am. Ceram. Soc.(美国陶瓷学会会刊)75 [1] (1992) 62)以SisN4粉和SiCb粉为原 料，Y203粉为烧结助剂，利用热等静压法在180(M95(TC，反应l—4个小时后得 到致密的Si2N20。 M. Ohashi等(J. Am. Ceram. Soc.(美国陶瓷学会会刊)74 [1] (1991)109)，用Si3N4粉和Si02粉为原料，Ce02粉为烧结助剂，通过热压方法制 备了 Si2N20，反应温度1750 °C，反应时间2小时。，制备方法要求，相X寸 较高，反应时间长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温、抗氧化的硅氮氧(Si2N20)陶瓷材料的 制备方法，解决现有技术中制备硅氮氧(Si2N20)陶瓷材料时，存在的温度相对 较高、，反应时间长等问题。该方fe^皿度相对较低，，反应时间短，并且合成的 ±刺材才料力学性能好，介电常数低，损耗角正切低，晶界相中金属离子含量低。
本发明的技术方案如下
一种耐高温、抗氧化硅氮氧陶瓷的低温制备方法，以Si3N4粉和Si02粉为原
料，Li2C03粉为烧结助齐l」，Si3N4和Si02的化学计量比(摩尔比)为Si3N4:Si02二 1: (0.8-1.3)， Li2C03的添加量为l-5wt.%。原料经过10~30小时研磨后，装入 石墨模具中冷压成型，施加的压强为10"20MPa，在通有氮气保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为10~50 °C /分钟，烧结温度为120CM600 °C G雄范围为 1400—1600°C)、烧结时间为0.1—1小时。
所述加入的Si3N4彩恃立度大小0.5—5 Mm， Si02粉粒度大小1—20拜；所述烧 结方式为热压烧结，烧结压强为10-30 MPa;所述研磨方式为酒精介质中球磨。
本发明的优点是
1、 烧结温度低，保温时间短。本发明采用一定化学计量比的氮化硅和二氧 化硅为原料，以碳酸锂为烧结助剂，由于烧结过程中，Li20和Si02反应生成具有 较低熔点，较小粘度的液相，促进了硅氮氧(Si2N20)陶瓷在较低纟显度下生成和 致密化，'使致密的硅氮氧(Si2N20)陶瓷可在140(M600。C合成，低于添加其它 烧结助剂，或利用其它方法制备硅氮氧(Si2N20)陶瓷的温度，同时烧结时间被 縮短。
2、 材料力学性能好，介电常数低，损耗角正切值小。采用本发明方法合成 的硅氮氧(Si2N20)陶瓷室温弯曲强度高达513 MPa，介电常数和损耗角正切值 在lMHz分别只有6.2和0.0008。
3、 材料中Li的含量很低。由于Li20的蒸气压高，在烧结过程中容易挥发， 导致晶界中元素Li的残留量小，从而有利于提高材料的高温性能。
4、 采用本发明方法获得的硅氮氧(Si2N20)陶瓷，可作为抗氧化高温结构材 料和功能材料，具有潜在的应用价值。
图1为合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的X-射线衍射图谱。 图2为添加不同含量Li2C03合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的介电常数随频率的 变化。
图3为添加不同含量Li2CC)3合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的损耗角正切值随频
率的变;(七。
具体实船式
下面通过实施例详述本发明。 实施例1
原料采用平均粒径5微米的SisN4粉15克，平均粒径15微米Si02粉7克和 Li2CO3粉0.3克，Li2C03的含量为1.4wtW，以酒精为介质球磨20小时，烘千后， 在15 MPa的压力下冷压成饼状，^A石墨模具中，在通有氮气作为保护气氛的高温炉(热压炉)中以25。C/min的升温速率升至1500 。C，保温0.5小时，升温 同时压力逐渐加到20MPa，并保持该压力下进行烧结。X-射线衍射图谱见附图1， 经检验材料为高纯的Si2N20。阿基米德法观幌密度为2.81 g/cm3，为理论密度的 99%。介电常数和损耗角正切分别为6.18和0.0008(1MHz)。抗弯强度为513 MPa， 断裂韧性为3.3 MPaW/2，弹性模量为229GPa，硬度为17.1GPa。合成的材料中 Li的残留量为0.06 wt%。 实施例2
与实施例l不同之处在于原料中Li2C03的含量不同、球磨时间不同、升^显 速率和保纟显时间不同。 '
原料采用平均粒径5棘的SisN4粉15克，平均粒径15麟SiCb粉7克和 Li2CO3粉0.45克，Li2C03的含量为2.1 wt.%，以酒精为介质球磨30小时，烘干 后，在10MPa的压力下冷压成饼状，^A石墨模具中，在通有氮气作为保护气氛 的高温炉中以2(TC/min的升温速率升至140(TC，保温0.7小时，升温同时压力 逐渐加到30MPa，并保持该压力下进行烧结。X-射线衍射图谱表明，合成的材料 为Si2N20。阿基米德法测得的密度为2.82g/cm3，为理论密度的100%。介电常数 和损耗角正切分别为6.19和0.0013 (lMHz)。抗弯强度为502MPa，断裂韧性为 2.9MPaTn1/2，弹性模量为229GPa，硬度为16.8GPa。合成的材料中Li的残留量 为0.07 wt%。
实施例3
与实施例l不同之处在于原料中Li2C03的含量不同、烧结温度、升温速率 和保温时间不同。
原料采用平均粒径5微米的Si3N4粉15克，平均粒径15微米SiCb粉7克和 Li2CO3粉0.75克，Li2C03的含量为3.5 wt.%，以酒精为介质球磨13小时，烘干 后，在2 MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，，在通有氮气作为保护气 氛的高温炉中以10。C/min的升温速率升至1600 。C，保温0.2小日寸，升温同时压 力逐渐加到25MPa，并保持该压力下进行烧结。X-射线衍射图谱表明，合成的材 料为高纯的Si2N20。阿基米德法测得的密度为2.82 g/cm3，为理论密度的100%。 介电常数和损耗角正切分别为6.23和0.0008 (lMHz)。抗弯强度为497MPa，断 裂韧性为2.8MPaTti"2，弹性模量为228GPa，硬度为16.6GPa。合成的材料中Li 的残留量为0.09wt.%。采用实施例l、实施例2、实施例3，均得到高纯Si2N20的块体材料，并且 力学性能和介电性能接近，材料中元素Li的残留量很小，可见增加原料中Li2C03 的含量，对合成材料的力学性能和介电性能影响很小，主要由于Li20的蒸气压高， 在烧结过程中容易挥发。
如图2所示，添加不同含量Li2C03合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的介电常数随 频率的变化情况如下在(K20MHz频率范围内，材料的介电常数随频率的增加 而逐渐减小，并且当Li2C03添加量从1.4 wt /。增加到3.5 wt.%，材料介电常数变 化很小，主要由于合成过程中，锂元素大量挥发，导致材料内锂的残留量很低， 对材料的介电性能影响很小。 '
如图3所示，添加不同含量Li2C03合成硅氮氧(Si2N20)陶瓷的损耗角正切值 随频率的变化情况如下在0~20 MHz频率范围内，合成的材料的损耗角正切没 有因为原料中添加不同含量Li2C03而有明显的差别。
比较例
本发明方fe^成的Si2N20和R. Larker等(J. Am. Ceram. Soc.(美国陶瓷学会会 干lj) 75 [1] (1992) 62)合成的Si2N20，力学性能相近，但烧结温度降低了 250—400°C， 并且烧结时间也大大縮短。
由实施例l、实施例2、实施例3禾口比较例可见，采用本发明方法可以在较低 温度、短时间内合成高纯度、抗氧化、室温强度和高温强度高、介电常数低和介 电损耗小的致密硅氮氧陶瓷±央体。
权利要求
1、一种耐高温、抗氧化硅氮氧陶瓷的低温制备方法，其特征在于以Si3N4粉和SiO2粉为原料，Li2CO3粉为烧结助剂，合成单相的Si2N2O，Si3N4和SiO2的摩尔比为Si3N4:SiO2＝1∶0.8-1.3，Li2CO3的添加量为1-5wt.％；原料经过10-30小时研磨后，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10-20MPa；然后，在通有氮气的热压炉内烧结，升温速率为10-50℃/分钟，烧结温度为1200-1600℃、烧结时间为0.1-1小时。
2、 按照权利要求1戶诚的硅氮氧陶瓷的低温制备方法，其特征在于烧结 温度优选范围为140(M600°C。
3、 按照权利要求1所述的硅氮氧陶瓷的低温制备方法，其f寺征在于所述 烧结方式为热压烧结，烧结压强为l(K30MPa。
4、 按照权禾腰求1戶脱的硅氮氧陶瓷的低温制备方法，其特征在于戶舰 研磨方式为酒精介质中球磨。
全文摘要
本发明涉及耐高温、抗氧化介电陶瓷的制备技术，特别提供了一种耐高温、抗氧化硅氮氧陶瓷的低温制备方法，解决现有技术中制备硅氮氧陶瓷材料时，存在的温度相对较高、反应时间长等问题。采用一定化学计量比的氮化硅和二氧化硅为原料，以碳酸锂为烧结助剂，原料经过研磨10-30小时，装入石墨模具中冷压成型，在通有氮气作为保护气氛的热压炉中烧结，烧结温度为1400-1600℃、烧结时间为0.1-1小时。本发明可以在较低温度、短时间内合成高纯度、抗氧化、室温强度和高温强度高、介电常数低和介电损耗小的致密硅氮氧陶瓷块体。采用本发明方法获得的硅氮氧陶瓷，可作为抗氧化高温结构材料和功能材料，具有潜在的应用价值。
文档编号C04B35/622GK101423396SQ20071015790
公开日2009年5月6日 申请日期2007年11月2日 优先权日2007年11月2日
发明者周延春, 童庆丰, 陈继新 申请人:中国科学院金属研究所