專利名稱：一種釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為一種釔硅氧氮-氮化硼(Y4Si2O7N2-BN)陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
Y4Si2O7N2是一種新型的四元低熱導(dǎo)率陶瓷材料。它在熱學(xué)性能方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它具有較低的熱導(dǎo)率(室溫?zé)釋?dǎo)率1.8-2. OW ^nT1 'IT1,1000°C高溫?zé)釋?dǎo)率
1.4-1. 6ff.ni-1 -Γ1)、較低的熱膨脹系數(shù)G-6X 10- -1)，良好的耐高溫、抗氧化性能，較低的密度(4. 83g/cm3)和模量(楊氏模量185GPa)，中等強(qiáng)度(彎曲強(qiáng)度157士7MPa)，較高的硬度(維氏硬度10. 3士0. 3GPa)等，在航空、航天、鋼鐵工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域都有廣泛的潛在應(yīng)用前景。盡管Y4Si2O7R具有優(yōu)異的熱學(xué)性能，但其較差的可加工性、抗熱震性，以及本征脆性等大大限制了它的應(yīng)用。為了改善上述不利性能，本發(fā)明開發(fā)了 Y4Si2O7N2-BN復(fù)合材料，關(guān)于Y4Si2O7N2-BN復(fù)合材料及其制備方面的研究國內(nèi)外尚屬空白。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種可加工、力學(xué)性能好的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料，由釔硅氧氮和氮化硼兩相組成，按體積百分比計(jì)，復(fù)合材料中氮化硼的含量為5 95% (優(yōu)選為10 30% )，余量為釔硅氧氮。所述的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料，釔硅氧氮相與氮化硼兩相分布均勻， 如圖3所示。所述釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟1)原料粉組成及成分范圍以Y4Si2O7N2粉和h-BN粉為原料，Y4Si2O7N2和h-ΒΝ粉的摩爾比為(0. 55
2.47) 1 ；2)制備工藝 原料經(jīng)過球磨1 M小時(shí)(優(yōu)選為8 16小時(shí))，裝入石墨模具中，以10 15MPa 的壓力冷壓1 5分鐘成餅狀，在通有氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛的熱壓爐中以5 40°C /min的升溫速率升至1800°C 2100°C熱壓1 3小時(shí)，熱壓壓力為20 40MPa。利用上述工藝最終得到不含雜質(zhì)的由Y4Si2O7N2和h-BN兩相組成的復(fù)合材料。本發(fā)明中，Y4Si2O7N2粉的粒度為100 300目，h-BN粉的粒度為100 300目。本發(fā)明中，球磨可以為氮化硅球加入乙醇進(jìn)行常規(guī)的濕磨。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.本發(fā)明使用的原料成分簡單，分別是Y4Si2O7N2粉和h-BN粉。2.工藝簡單，成本低。本發(fā)明通過簡單的一步熱壓方法，在(2100°C以下)及短時(shí)間(一般在三個(gè)小時(shí)內(nèi))獲得無雜質(zhì)致密的Y4Si2O7N2-BN陶瓷基復(fù)合材料。3.優(yōu)異的力學(xué)性能。本發(fā)明Y4Si2O7N2-BN陶瓷基復(fù)合材料致密度較高，彎曲強(qiáng)度、 斷裂韌性等力學(xué)性能明顯優(yōu)于Y4Si2OA2單相材料，并且具有良好的可加工性、抗熱震性等。
圖1 為所制備 Y4Si207N2_30vol圖2 為所制備 Y4Si207N2_20vol圖3 為所制備 Y4Si207N2_40vol
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)例詳述本發(fā)明。實(shí)施例1將Y4Si2O7N2 粉(300 目，純度99wt. % )57.68g，BN 粉(100 目，純度 99wt. % ) 11. 62g倒入氮化硅球磨罐中，使用氮化硅球加入乙醇濕磨12小時(shí)，之后在50°C烘干48小時(shí)。烘干后的粉末倒入直徑為50mm的內(nèi)壁涂有BN的石墨模具中冷壓。以12MPa 的壓力冷壓3分鐘之后，將模具裝入熱壓爐中，在流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以5°C /min的升溫速率升溫至2100°C，熱壓180min，熱壓壓力為30MPa。獲得的塊體材料經(jīng)X射線衍射分析為 ^Si2O凡和BN兩相，二者體積比為70 30，基本無其它雜質(zhì)，如圖1所示。測定的密度為
3.94g/cm3，致密度為97. 06 %。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為279 士 14MPa，維氏硬度4. 7 士 0. IGPa,普通刀具即可加工。實(shí)施例2將Y4Si2O7N2 粉(300 目，純度99wt. % )77. 62g, h_BN 粉(100 目，純度 99wt. % )9. 12g倒入氮化硅球磨罐中，使用氮化硅球加入乙醇濕磨M小時(shí)，之后50°C烘干 48小時(shí)。烘干后的粉末倒入直徑為50mm的內(nèi)壁涂有BN的石墨模具中冷壓。以15MPa的壓力冷壓3分鐘之后，將模具裝入石墨發(fā)熱體的熱壓爐中，在流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以15°C /min 的升溫速率升溫至1800°C，熱壓60min，熱壓壓力為40MPa。獲得的復(fù)合材料經(jīng)X射線衍射分析為Y4Si2O凡和BN兩相，二者體積比為80 20，基本無其它雜質(zhì)。測定的材料密度為
4.09g/cm3，致密度為94. 74%。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為286 士 12MPa，斷裂韌性2. 04 士 0. 03MPa -m1/2, 斷口形貌如圖2所示。實(shí)施例3將Y4Si2O7N2 粉(300 目，純度99wt. % )58. 40g, h_BN 粉(100 目，純度 99wt. % ) 18. 30g倒入氮化硅球磨罐中，使用氮化硅球加入乙醇濕磨6小時(shí)，之后50°C烘干 48小時(shí)。烘干后的粉末倒入直徑為50mm的內(nèi)壁涂有BN的石墨模具中冷壓。以IOMPa的壓力冷壓4分鐘之后，將模具裝入石墨發(fā)熱體的熱壓爐中，在流動(dòng)氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以30°C/min 的升溫速率升溫至1900°C，熱壓120min，熱壓壓力為20MPa。獲得的復(fù)合材料經(jīng)X射線衍射分析為Y4Si2O7N2和BN兩相，二者體積比為60 40。測定的材料密度為3. 53g/cm3,致密度為92. 86%。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為220士 12MPa，斷裂韌性1. 83士0. 08MPa · m1/20兩相分布形貌如圖3所示。
.% BN復(fù)合材料的XRD圖譜。 .%BN復(fù)合材料的斷口形貌。 .% BN復(fù)合材料的兩相分布形貌。
權(quán)利要求
1.一種釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料由釔硅氧氮和氮化硼兩相組成，按體積百分比計(jì)，復(fù)合材料中氮化硼的含量為5 95%，余量為釔硅氧氮。
2.按照權(quán)利要求1所述的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于氮化硼的優(yōu)選含量為10 30%。
3.按照權(quán)利要求1所述的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， 包括如下步驟1)原料粉組成以Y4Si2O7N2粉和h-BN粉為原料，Y4Si2O7N2和h-ΒΝ粉的摩爾比為(0. 55 2. 47) 1 ；2)制備工藝原料經(jīng)過球磨1 M小時(shí)，裝入石墨模具中，以10 15MPa的壓力冷壓1 5分鐘成餅狀，在通有氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛的熱壓爐中以5 40°C /min的升溫速率升至1800°C 2100°C熱壓1 3小時(shí)，熱壓壓力為20 40MPa。
4.按照權(quán)利要求3所述的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于， Y4Si2O7N2粉的粒度為100 300目，h-BN粉的粒度為100 300目。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為一種釔硅氧氮-氮化硼(Y4Si2O7N2-BN)陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料由釔硅氧氮和氮化硼兩相組成，按體積百分比計(jì)，復(fù)合材料中氮化硼的含量為5～95％，余量為釔硅氧氮。以Y4Si2O7N2粉和BN粉為原料，料粉經(jīng)過球磨1～24小時(shí)，烘干過篩后，裝入石墨模具中，以10～15MPa冷壓，之后在通有氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛的熱壓爐中以5～40℃/min的升溫速率升至1800℃～2100℃，保溫1～3小時(shí)，熱壓壓力為20～40MPa。本發(fā)明可以在短時(shí)間內(nèi)熱壓燒結(jié)出純度高、致密度好、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率低的釔硅氧氮-氮化硼陶瓷基復(fù)合材料。
文檔編號C04B35/58GK102432298SQ20101029612
公開日2012年5月2日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者周延春, 孫魯超, 王京陽, 陳琳, 陳繼新 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所