-O’-Sialon-TiN陶瓷球材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非氧化物基陶瓷材料领域，具体公开了一种制备Si3N4-0’-Sialon-TiN陶瓷球材料的方法。
【背景技术】
[0002]传统的Si3N4-0’-Sialon或Si3N4_TiN陶瓷材料具有较高的抗弯强度、硬度、较低的热膨胀系数和良好的抗氧化性，在陶瓷、冶金等领域发挥重要作用。但是在应用过程中人们发现，传统的Si3N4-0’_Sialon或者Si3N4_TiN陶瓷材料在抗弯强度、硬度和抗氧化性等方面尚有不足，本发明制备Si3N4-0’_Sialon-TiN复相陶瓷材料，它补充了传统Si3N4-0’_Sialon或者Si3N4-TiN陶瓷材料的不足。Si3N4-0’-Sialon-TiN复合相互相交错生长，相组织结合更紧密，因此该材料具有更优异的力学性能、抗氧化性和抗腐蚀性等，因而扩大了应用领域，广泛应用在陶瓷、冶金、电子、机械、化工及军工等领域。
[0003]本发明通过引入Al203-Re203_Si02 (其中 Re 为 Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu)改善Si3N4致密化并生成0’ -Sialon，引入纳米T1 2实现了原位生成纳米TiN，获得了 Si3N4-0’ -Sialon-TiN陶瓷球材料。
【发明内容】
[0004]本发明通过引入Al203-Re203-Si0；^j^ Si #4致密化并生成0’ -Sialon,引入纳米Ti02实现了原位生成纳米TiN，通过气压烧结实现了 Si 3N4-0’-Sialon-TiN陶瓷球材料的制备。
[0005]本发明是通过以下技术方案予以实现的:
本发明提供的一种制备Si3N4-0’ -Sialon-TiN陶瓷球材料的方法，包括如下步骤:
(1)以Si3N4粉为原料，以 A1 203-Re203-Si02、Ti02为烧结助剂，其中 Re 为 Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu ;按 Si3N4:Al 203-Re203_Si02:Ti0 2的质量分数比为98~60%:1?30%:1?10%的配比经混料、干燥后，得到Si3N4-Al203-Re203-Si02-Ti02混合粉体，所述的Al203-Re203-Si02中的A1 203:Re 203:Si0 2质量分数比为1?99%:99?1%:1 ?98% ；
(2)将Si3N4-Al203-Re203-Si02-Ti(yg合粉体放入模具中，通过冷等静压成型获得坯体；
(3)将Si3N4-Al203-Re203-Si02-Ti0#$体通过气压烧结制备 Si 3N4_0’-Sialon-TiN 陶瓷球材料。
[0006]步骤(1)所述的Si3N4粉纯度为95?100%，粒径为〈10 μ m ；A1 203纯度为99.9% ；Re203纯度为99.9% ；Si0 2粉纯度为98?100%，粒径为<10um ；Ti0 2纯度为99.999%，粒径为<100nmo
[0007]步骤(1)中，将Si3N4、Al203-Re203-Si0#P T1 2按所述质量分数比进行配料，以乙醇为溶剂，以Si3N4球为球磨介质，在辊式球磨机上混合4?48h，干燥后得到S i 3N4-A1203-Re203-S i 02_T i 02 混合粉体。
[0008]优选地，步骤(1)中，在辊式球磨机上混合24h。
[0009]优选地，步骤(1)中，取Re为Y，所述的Si3N4: A1 203-Re203_Si02:Ti0 2的质量分数比为 80%:18%:2%，所述的 Al203-Re203-Si02中的 A1 203:Re 203:Si0 2质量分数比为 27.8%:27.8%:44.4%ο
[0010]步骤(2)所述的冷等静压成型压力100?300MPa，保压时间为1?lOmin。
[0011]优选地，步骤(2)所述的冷等静压成型压力200MPa，保压时间为5min。
[0012]步骤(3)所述的气压烧结为:将Si3N4-Al203-Re203-Ti02-Si02坯体放入氮化硼坩祸，以20°C /min的升温速率将温度升至1000?1250°C，然后以10°C /min的升温速率将温度升至1300?1600°C，然后以5°C /min的升温速率将温度升至1600?2000°C，并保温0.5?4h，整个烧结过程氮气压力为0.1?lOMPa，通过气压烧结获得Si3N4_0’-Sialon-TiN陶瓷球材料。
[0013]优选地，步骤(3)所述的气压烧结为:将Si3N4-Al203-Re203-Si02-Ti02坯体放入氮化硼坩祸，以20°C /min的升温速率将温度升至1200°C，然后以10°C /min的升温速率将温度升至1600°C，然后以5°C /min的升温速率将温度升至1850°C，并保温2h，整个过程烧结气氛为0.1MPa的氮气，通过气压烧结获得Si3N4-0’ -Sialon-TiN陶瓷球材料。
[0014]本发明还提供了上述方法制备得到的Si3N4-0’ -Sialon-TiN陶瓷球材料，其相对密度高于95%，硬度为10?22GPa，断裂韧性为3?8MPa m1/2，抗弯强度为600?1200MPa，TiN粒径为20?lOOOnrn。
[0015]优选地，上述陶瓷球材料的相对密度为99%，硬度为18GPa，断裂韧性为6.5MPam1/2，抗弯强度为lOOOMPa，TiN粒径为100nm。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果:
(1)本发明Si3N4-0’ -Sialon-TiN为复合陶瓷材料，该材料是以Si3N4为主相，以0’ -Sialon-TiN为结合相的相组织结构，该相组织结构具有更好、更紧密的晶体结构。
[0017](2)该材料原位生成的TiN粒径为20?lOOOnrn。
[0018](3)该材料具有更优异的力学性能、抗氧化及抗腐蚀性能。
[0019](4)该材料具有更广阔的应用领域，广泛应用在陶瓷、冶金、电子、机械、化工及军工等领域。
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例1制备的Si 3N4-0’ -Sialon-TiN陶瓷球材料的XRD图。
【具体实施方式】
[0021]
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但决非限制本发明，本发明也并非仅局限于下述实施例的内容，下述所使用的实验方法若无特殊说明，均为本技术领域现有常规的方法，所使用的配料或材料，如无特殊说明，均为通过商业途径可得到的配料或材料。下面给出实施案例:
实施例1 Si3N4-0’ -Sialon-TiN陶瓷球材料的制备，具体方法如下:
(1)以Si3N4粉(粒径〈10 μ m)为原料，以A1 203粉(纯度为99.9%)、Y 203粉(纯度为99.9%)、3102粉(粒径为<10um)和T1 2粉(粒径为〈lOOnm)为烧结助剂，按照Si 3N4粉质量分数为80%、A1203-Y203-Si02质量分数为18%、1102粉的质量分数为2%进行配料，其中A1 203:Y203:S1 2质量分数比为27.8%: 27.8%:44.4%，以乙醇为溶剂，以Si 3N4球为球磨介质，在辊式球磨机上混合24h，经混料、干燥后，得到混合均匀的Si3N4-Al203_Re203-Si02-Ti(yg合粉体。
[0022](2)将Si3N4-Al203-Re203-Si02-Ti02M合粉体放入模具进行冷等静压成型，冷等静压成型压力200MPa，保压时间为5min。
[0023](3)将 Si3N4-Al203-Re203-Si02-Ti0#$体放入氮化硼坩祸，以 20°C /min 的升温速度将温度升到1200°C，然后以10°C /min的升温速度将温度升到1600°C，然后以5°C /min的升温速度将温度升到1850°C，并保温2h，整个过程烧结气氛为0.1MPa的氮气，通过气压烧结获得Si3N4-0’ -Sialon-TiN陶瓷球材料。
[0024]本实施例制备的陶瓷球材料的相对密度为99%，硬度为18GPa，断裂韧性为6.5MPam1/2，抗弯强度为lOOOMPa，TiN粒径位100nm。
[0025]实施例2
按照Si3N4粉(粒径〈10 μ m)质量分数为84%、A1 203 (纯度为99.9%) -Y203 (纯度为99.9%) -Si02 (粒径为<10um)质量分数为14%、1102粉(粒径为〈100nm)的质量分数为2%进行配料，其中A1203:Y 203: S1 2质量分数比为35.7%: 35.7%:28.6%，按照实施例1方法制备Si3N4复合陶瓷，其中以20°C /min的升温速度将温度升到1200°C，然后以10°C /min的升温速度将温度升到1500°C，然后以5°C /min的升温速度将温度升到1700°C，保温2h，整个过程烧结气氛为0.4MPa的氮气，通过气压烧结获得Si3N4-0’ -Sialon-TiN陶瓷球材料。
本实施例制备的陶瓷球材料的相对密度为99%，硬度为17