一种采用高压相变法制备亚微米多晶β-Si3N4块体的方法与流程

本发明涉及亚微米多晶β-si3n4块体的制备方法，属于无机非金属材料领域。

技术背景

氮化硅是一类重要的陶瓷材料，氮化硅主要有3种晶型结构，即α-si3n4、β-si3n4和γ-si3n4。氮化硅陶瓷具有高韧性、高强度、耐高温、热传导率高、抗氧化、热膨胀系数低等优异的物理化学特性，被广泛用作高温结构材料和高速切削工具陶瓷材料，氮化硅半导体近年来在陶瓷工业、核工业、汽车引擎及太阳能电池领域都有广泛的应用。

亚微米多晶β-si3n4材料，整体物相为β-si3n4，晶粒分布均匀，致密度高，热稳定性高，具有良好的力学性能（韧性高、硬度高、强度高）；通常在高温主导的常压烧结过程中，β-si3n4晶粒会异常长大而失去其亚微米结构，大大降低其力学性能，所以需要一种能够制备纯相亚微米多晶β-si3n4材料的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述传统氮化硅烧结中的不足，提供一种制备亚微米多晶β-si3n4材料的方法，具体是采用微晶α-si3n4为原料，在高温高压条件下使微晶α-si3n4直接相变为亚微米多晶β-si3n4，进而得到高性能亚微米多晶β-si3n4块体材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种采用高压相变法制备亚微米多晶β-si3n4块体的方法，包括以下步骤：

a、原料处理：将纯度高于99%、平均晶粒尺寸为2-500μm的α-si3n4粉末原料干燥，在100-120℃条件下干燥12小时；干燥后的原料在200-500mpa压力作用下预压成型，把预压成型的样品放入真空干燥箱中，在100-120℃条件下干燥6小时；

b、装配烧结单元：将预压成型的试样用钼杯进行包裹，避免样品在高温高压下污染；将钼杯包裹的试样装入高压烧结单元中，将组装好的烧结单元放入干燥箱中在120℃恒温作用下干燥备用；

c、高温高压烧结：烧结压力为3-10gpa，达到设定压力后升温加热，烧结温度1600-2600℃，保温时间为20秒-20分钟；待保温结束后，保压2分钟后再开始缓慢降压；

d、样品处理：取出合成腔体内的样品，去除块体材料外面包裹的钼杯，对内部样品进行打磨、抛光以及酸洗后，得到亚微米多晶β-si3n4块体材料。

优选的，所述步骤c中烧结压力为3-5gpa，烧结温度为1600-2000℃，保温时间为20秒-10分钟。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明以微晶α-si3n4为原料，在高温高压条件下使微晶α-si3n4直接相变为亚微米多晶β-si3n4，避免了以纳米粉末为初始粉末，存在的团聚、吸附、难以分散的问题，以及纳米晶粒在高温常压烧结过程中异常长大的问题；

2、本发明使用的原料是纯相的α-si3n4粉末，不加任何添加剂，制备的亚微米多晶β-si3n4材料不含其他杂质，纯度高、物相单一，晶粒尺寸在100nm-800nm，能够保持亚微米特性与高致密度，维氏硬度为18-25gpa，具有高温稳定性以及良好的力学性能。

附图说明

图1为实施例1中获得的亚微米多晶β-si3n4块体产品x射线衍射图；

图2为实施例2中获得的亚微米多晶β-si3n4块体产品x射线衍射图；

图3为实施例3中获得的亚微米多晶β-si3n4块体产品x射线衍射图；

图4为实施例4中获得的亚微米多晶β-si3n4块体产品x射线衍射图；

图5位实施例5中获得的块体产品x射线衍射图；

图6位实施例6中获得的块体产品x射线衍射图；

图7位实施例7中获得的块体产品x射线衍射图；

图8为实施例1亚微米多晶β-si3n4块体材料的扫描电镜测试微观结构分析图；

图9为实施例2亚微米多晶β-si3n4块体材料的扫描电镜测试微观结构分析图；

图10为实施例3亚微米多晶β-si3n4块体材料的扫描电镜测试微观结构分析图；

图11为实施例4亚微米多晶β-si3n4块体材料的扫描电镜测试微观结构分析图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，有必要在此指出的是本实施方式对于本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

a、原料处理：将纯度为99%、平均晶粒尺寸为2μm的α-si3n4粉末原料干燥，在100-120℃条件下干燥12小时；干燥后的原料在200-500mpa压力作用下预压成型，把预压成型的样品放入真空干燥箱中，在100-120℃条件下干燥6小时；

b、装配烧结单元：对用来包裹原料的金属钼杯进行处理，打磨并抛光，然后去油、超声波清洗、真空烘干，将预压成型的原料用钼杯进行包裹，防止样品在高温高压环境下被污染；将包裹后的试样装入高压装配烧结单元中，将组装好的烧结单元放入干燥箱中在120℃恒温作用下干燥备用；

c、高温高压烧结：利用6×800吨六面顶压机进行高温高压烧结，烧结压力为3gpa,达到设定压力后，升温加热，在烧结温度为1700℃的条件下，保温时间为20分钟；待保温结束后，保压2分钟后再开始缓慢降压；

d、样品处理：取出合成腔体内的样品，去除块体材料外面包裹的金属包裹体，对内部样品进行打磨、抛光以及酸洗，得到亚微米多晶β-si3n4块体材料。

对制备的亚微米多晶β-si3n4块体材料进行性能检测，由图1可以看出，该材料只有β-si3n4单一相，由图8可以看出，该材料样品致密度高，气孔率低，其晶粒尺寸在100nm-700nm，采用显微维氏硬度测试，测试结果表明材料硬度为23gpa。

实施例2：

a、原料处理：采用纯度为99.5%、平均晶粒尺寸为10μm的α-si3n4原料，在100-120℃条件下干燥12小时；干燥后的原料在200-500mpa压力作用下预压成型，把预压成型的样品放入真空干燥箱中，在100-120℃条件下干燥6小时；

b、该步骤与实施例1中的步骤b相同；

c、高温高压烧结：利用6×800吨六面顶压机进行高温高压烧结，烧结压力为5gpa,达到设定压力后，升温加热，在烧结温度为2400℃的条件下，保温时间为1分钟；待保温结束后，保压2分钟后再开始缓慢降压；

d、该步骤与实施例1中的步骤d相同。

对制备的亚微米多晶β-si3n4块体材料进行性能检测，由图2可以看出，该材料只有β-si3n4单一相，由图9可以看出，该材料样品致密度高，气孔率低，其晶粒尺寸在150nm-750nm，采用显微维氏硬度测试，测试结果表明材料硬度为25gpa。

实施例3：

a、原料处理检测：采用纯度为99%、平均晶粒尺寸为100μm的α-si3n4原料，在100-120℃条件下干燥12小时；干燥后的原料在200-500mpa压力作用下预压成型，把预压成型的样品放入真空干燥箱中，在100-120℃条件下干燥6小时；

b、该步骤与实施例1中的步骤b相同；

c、高温高压烧结：利用6×800吨六面顶压机进行高温高压烧结，烧结压力为8gpa,达到设定压力后，升温加热，在烧结温度为2000℃的条件下，保温时间为10分钟；待保温结束后，保压2分钟后再开始缓慢降压；

d、该步骤与实施例1中的步骤d相同。

对制备的亚微米多晶β-si3n4块体材料进行性能检测，由图3可以看出，该材料只有β-si3n4单一相，由图10可以看出，该材料样品致密度高，气孔率低，其晶粒尺寸在150nm-800nm，采用显微维氏硬度测试，测试结果表明材料硬度为24gpa。

实施例4：

a、原料处理：采用纯度为99.5%、晶粒尺寸为200μm的α-si3n4原料，在100-120℃条件下干燥12小时；干燥后的原料在200-500mpa压力作用下预压成型，把预压成型的样品放入真空干燥箱中，在100-120℃条件下干燥6小时；

b、该步骤与实施例1中的步骤b相同；

c、高温高压烧结：利用6×800吨六面顶压机进行高温高压烧结，烧结压力为10gpa,达到设定压力后，升温加热，在烧结温度为2600℃的条件下，保温时间为35秒；待保温结束后，保压2分钟后再开始缓慢降压；

d、该步骤与实施例1中的步骤d相同。

对制备的亚微米多晶β-si3n4块体材料进行性能检测，由图4可以看出，该材料只有β-si3n4单一相，由图11可以看出，该材料样品致密度高，气孔率低，其晶粒尺寸在100nm-800nm，采用显微维氏硬度测试，测试结果表明材料硬度为18gpa。

实施例5：

在实施例1的基础上，将烧结温度调整为1500℃,其它步骤以及合成参数均不变；对制备的亚微米多晶β-si3n4块体材料进行性能检测，由图5可以看出，该材料不仅有β-si3n4相，还有大量残余的α-si3n4相。

实施例6：

在实施例1的基础上，将烧结压力调整为2gpa,其它步骤以及合成参数均不变；对制备的亚微米多晶β-si3n4块体材料进行性能检测，由图6可以看出，该材料不仅有β-si3n4相，还有部分残余的α-si3n4相。

实施例7：

在实施例1的基础上，将烧结压力调整为10gpa、烧结温度调整为2400℃、保温时间调整为15秒,其它步骤以及合成参数均不变；对制备的亚微米多晶β-si3n4块体材料进行性能检测，由图5可以看出，该材料不仅有β-si3n4相，还有部分残余的α-si3n4相。