本發(fā)明屬于陶瓷制備技術領域，具體涉及一種高熱導率氮化硅陶瓷的制備方法。
背景技術：
氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的力學性能，作為結構材料得到了普遍關注。一般氮化硅的抗彎強度可超過1000MPa，然而其熱導率只有20-30W/mK，與氧化鋁陶瓷相近，遠遠低于高熱導率氮化鋁陶瓷(180-260W/mK)。文獻“J.S.Haggerty，A.Lightfoot，Opportunities for Enhancing the Thermal Conductivities of SiCand Si3N4Ceramics through ImprovedProcessing，Ceram.Eng.Sci.Proc.，1995，16(4)：p475-487.”的計算表明氮化硅的本征熱導率為320W/mK。而文獻“N.Hirosaki，S.Ogata，C.Kocer，H.Kitagawa，andY.Nakamura，Molecular dynamics calculation ofthe idealthermal conductivity ofsingle-crystalα-andβ-Si3N4，Phys.Rev.B，2002，65，134110”的計算表明氮化硅的β-Si3N4的a軸和c軸的理論熱導率分別為170和450W/mK，這為研制高熱導率氮化硅陶瓷提供了理論依據。
目前獲取高熱導率氮化硅陶瓷要靠高溫長時間加熱處理，例如文獻“N.Hirosaki，Y.Okamoto，M.Ando，F.Munakata，Y.Akimune，ThermalConductivity ofGas-Pressure-Sintered SiliconNitride，J.Am.Ceram.Soc.1996，79(11)：p2878-82”報道，在100MPa的氮氣中2000℃燒結4小時獲得了熱導率為120W/mK的氮化硅陶瓷；文獻“Watari K；Hirao K；Brito ME；ToriyamaM；Kanzaki S，Hot isostatic pressing to increase thermal conductivity ofSi3N4ceramics，J.Mat.Res.1999，14(4)：p1538-1541”中報道，在原料中添加β-Si3N4種晶、并使之定向排列，經1800℃熱壓燒結后在2500℃熱等靜壓處理2小時在與β-Si3N4種晶平行的方向獲得了目前最高的熱導率155W/mK。這些研究證明了高熱導率氮化硅陶瓷的實際可行性，但是所采取的高溫長時間加熱處理造成陶瓷晶粒異常長大，力學性能急劇降低，無法實際應用。目前可以實際應用的高熱導率氮化硅陶瓷的熱導率低于60W/mK左右，強度低于700MPa。對于高熱導率的產生機理，一般認為高溫加熱處理或添加晶種燒結后在氮化硅陶瓷中形成的粗大β-Si3N4柱狀晶本身具有較高的熱導率，是氮化硅陶瓷熱導率升高的原因，這意味著熱導率和力學性能不可兼得。這是造成高熱導率氮化硅陶瓷的應用研究徘徊不前的主要原因。
技術實現要素：
本發(fā)明提出一種高熱導率氮化硅陶瓷的制備方法，該制備方法可以凈化氮化硅晶粒，提高熱導率。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現的：
一種高熱導率氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數計算，稱取氮化硅70～80份、稀土氧化物5～10份與燒結助劑2～6份混合均勻，加入至球磨機中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中110～120℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為-20℃～0℃條件下，氫氣氣流中過篩，得到復合粉料；
2)將步驟1)得到的復合粉料裝入放電等離子燒結裝置的石墨模具中，抽真空后進行放電等離子燒結，加熱速度為10～15K/s，加熱溫度為1450～1700℃，保溫時間為3～8min，獲得致密的氮化硅陶瓷；
其中，所述燒結助劑為氧化鋁、氧化錳與氧化硼的混合物。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實施例，氧化鋁、氧化錳與氧化硼之間的質量比為1～2:1～2:6～8。
作為優(yōu)選，本發(fā)明的一些實施例，所述稀土氧化物為氧化釔、氧化鑭與氧化鈰中的一種或者多種。
添加稀土化合物的目的是為了在燒結或者加熱處理過程中能夠和氮化硅粉體中所含有的氧元素發(fā)生反應，以凈化氮化硅晶粒，提高熱導率。本發(fā)明的實施例中多采用價格低廉的氧化釔稀土化合物。其它化學性能相近的稀土化合物如氧化鑭與氧化鈰等也能達到同樣的目的，同樣可以作為本發(fā)明的氮化硅陶瓷燒結助劑使用。添加量過少難以充分發(fā)揮其作用，添加量過多會形成過多的晶界相，影響熱導率。
放電等離子燒結工藝具有升溫速度快、燒結時間短、燒結組織均勻的特點。對于氮化硅陶瓷，還可以通過適當控制工藝參數，控制β-Si3N4柱狀晶的形態(tài)，優(yōu)化組織，提高氮化硅陶瓷的斷裂韌性。申請人的研究發(fā)現，通過控制燒結過程中的加熱速度、燒結溫度和保溫時間，能夠獲得晶粒細小、組織致密的氮化硅陶瓷。加熱速度為10～15K/s，加熱溫度為1450～1700℃，保溫時間為3～8min可以得到良好的燒結體。
采用放電等離子燒結工藝雖然可以提供晶粒細小、組織致密的陶瓷，但并不能獲得高熱導率、高強度氮化硅陶瓷。經過深入的研究，申請人發(fā)現，對放電等離子燒結獲得的氮化硅陶瓷進行高溫加熱處理，能夠同時提高熱導率和力學性能，獲得所需的高熱導率、高強度氮化硅陶瓷。加熱溫度過低，加熱時間過短，起不到所需的效果，而過高的加熱溫度和過長的加熱時間將導致制造成本急劇增加。
本發(fā)明的有益效果：
1、發(fā)明人研究發(fā)現氮化硅由于原料自身的原因，即使真空等離子燒結，也會出現少量的氧化現象。發(fā)明人將氮化硅原料經過-20℃～0℃氫氣氣流中過篩，再進行真空等離子燒結，可以完全杜絕氧化現象的發(fā)生，有利于燒結獲得更多的α相的Si3N4。
2、燒結助劑一般有助于抑制晶粒長大，但是并不是所有的抑制晶粒長大的燒結助劑，都會有助于燒結。發(fā)明人通過大量實驗發(fā)現氧化鋁、氧化錳與氧化硼作為氮化硅陶瓷的燒結助劑，不僅有助于燒結，而且增強陶瓷在高溫條件下的抗疲勞性能(即在1450℃～1500℃長時間使用也不會出現疲勞損壞)。其中，氧化鋁與氧化錳燒結過程中可以有效阻止粗大β-Si3N4柱狀晶形成。
3、本發(fā)明獲得的氮化硅陶瓷的熱導率高達90～100W/mK，1200℃的抗彎強度為1020～1040MPa。
具體實施方式
實施例1
一種高熱導率氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數計算，稱取氮化硅70份、氧化釔3份、氧化鑭3份與燒結助劑3份混合均勻，加入至球磨機中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中110℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為-10℃條件下，氫氣氣流中過篩，得到復合粉料；所述燒結助劑為氧化鋁、氧化錳與氧化硼的混合物，質量比為1：1：8。
2)將步驟1)得到的復合粉料裝入放電等離子燒結裝置的石墨模具中，抽真空后進行放電等離子燒結，加熱速度為10K/s，加熱溫度為145℃，保溫時間為6min，獲得致密的氮化硅陶瓷。
所得氧化硅陶瓷的熱導率為93W/mK，抗彎強度為1030MPa，維氏硬度為15.6GPa。
實施例2
一種高熱導率氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數計算，稱取氮化硅76份、氧化釔4份、氧化鈰3份與燒結助劑6份混合均勻，加入至球磨機中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中120℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為-20℃條件下，氫氣氣流中過篩，得到復合粉料；所述燒結助劑為氧化鋁、氧化錳與氧化硼的混合物，質量比為1.5：1.5：7。
2)將步驟1)得到的復合粉料裝入放電等離子燒結裝置的石墨模具中，抽真空后進行放電等離子燒結，加熱速度為12K/s，加熱溫度為1540℃，保溫時間為3min，獲得致密的氮化硅陶瓷；
所得氧化硅陶瓷的熱導率為90W/mK，抗彎強度為1020MPa，維氏硬度為14.8GPa。
實施例3
一種高熱導率氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數計算，稱取氮化硅78份、氧化釔10份與燒結助劑4份混合均勻，加入至球磨機中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中110℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為-5℃條件下，氫氣氣流中過篩，得到復合粉料；所述燒結助劑為氧化鋁、氧化錳與氧化硼的混合物，質量比為2：2：6。
2)將步驟1)得到的復合粉料裝入放電等離子燒結裝置的石墨模具中，抽真空后進行放電等離子燒結，加熱速度為14K/s，加熱溫度為1600℃，保溫時間為6min，獲得致密的氮化硅陶瓷。
所得氧化硅陶瓷的熱導率為100W/mK，抗彎強度為1040MPa，維氏硬度為15.5GPa。
實施例4
一種高熱導率氮化硅陶瓷的制備方法，包括以下步驟：
1)按重量份數計算，稱取氮化硅80份、氧化釔3份、氧化鑭1份與氧化鈰1份與燒結助劑2份混合均勻，加入至球磨機中，形成混合粉料，然后在電熱真空干燥箱中120℃溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在溫度為0℃條件下，氫氣氣流中過篩，得到復合粉料；所述燒結助劑為氧化鋁、氧化錳與氧化硼的混合物，質量比為1：2：7。
2)將步驟1)得到的復合粉料裝入放電等離子燒結裝置的石墨模具中，抽真空后進行放電等離子燒結，加熱速度為15K/s，加熱溫度為1700℃，保溫時間為3～8min，獲得致密的氮化硅陶瓷。
所得氧化硅陶瓷的熱導率為95W/mK，抗彎強度為1034MPa，維氏硬度為15.2GPa。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。