阅读说明：本技术 一种原位合成氮化硅/硼化锆复相陶瓷及其制备方法和应用 (In-situ synthesized silicon nitride/zirconium boride composite ceramic and preparation method and application thereof ) 是由 詹创添 吴利翔 牛文彬 朱林林 郭伟明 林华泰 于 2019-08-21 设计创作，主要内容包括：本发明属于于陶瓷材料技术领域,公开了一种原位合成氮化硅/硼化锆复相陶瓷及其制备方法和应用,所述氮化硅/硼化锆复相陶瓷是将预氧化的ZrB<Sub>2</Sub>、Si粉和烧结助剂MgO-Y<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>经混料,干燥后得到Si-ZrB<Sub>2</Sub>-MgO-Y<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>混合粉体；将混合粉体进行造粒和成型,再采用冷等静压制得Si-ZrB<Sub>2</Sub>-MgO-Y<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>坯体；将坯体在氮气气氛下,升温至1300～1450℃烧结,然后升温至1500～1600℃烧结并保温制得。本发明方法所制备的Si<Sub>3</Sub>N<Sub>4</Sub>-ZrB<Sub>2</Sub>复相陶瓷的相对密度为95～99％,硬度为18～25GPa,断裂韧性为10～15MPa·m<Sup>1/2</Sup>,抗弯强度为800～1200MPa。(the invention belongs to the technical field of ceramic materials, and discloses silicon nitride/zirconium boride complex phase ceramic synthesized in situ and a preparation method and application thereof, wherein the silicon nitride/zirconium boride complex phase ceramic is prepared by mixing pre-oxidized ZrB 2 , Si powder and a sintering aid MgO-Y 2 O 3 , drying to obtain Si-ZrB 2 -MgO-Y 2 O 3 mixed powder, granulating and molding the mixed powder, preparing a Si-ZrB 2 -MgO-Y 2 O 3 blank by adopting isostatic cool pressing, heating the blank to 1300-1450 ℃ in a nitrogen atmosphere for sintering, heating to 1500-1600 ℃ for sintering, and preserving heat.)

一种原位合成氮化硅/硼化锆复相陶瓷及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种原位合成氮化硅/硼化锆(Si₃N₄-ZrB₂)复相陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

Si₃N₄陶瓷作为一种结构陶瓷，具有高强、高硬、高韧、耐磨、耐高温、以及高导热等优异性能，在工业界具有广泛的应用。通常Si₃N₄陶瓷以高纯Si₃N₄粉体为原料，添加烧结助剂促进致密化，但是这种方法制备成本较高。

近年来，虽然出现了以Si粉为原料，通过反应气压烧结制备Si₃N₄陶瓷，降低成本。但是由于Si粉氮化的速度比较缓慢，并且氮化后形成的Si₃N₄致密化较困难，很难获得高致密、高性能的Si₃N₄陶瓷。即Si粉反应烧结制备Si₃N₄陶瓷主要存在Si粉氮化时间较长的问题，如此长周期并且苛刻的制备工艺部分抵消了以Si粉为原料带来的低成本优势。基于以上Si粉氮化困难，目前主要通过往Si粉中添加ZrO₂、TiO₂、稀土氧化物等作为催化剂促进氮化，但是，在现有的技术中都只是通过Si粉反应烧结制备Si₃N₄陶瓷，然而，考虑到有些需要更高硬度以及导电的场合，现有技术却无法满足。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种氮化硅/硼化锆陶瓷。

本发明另一目的在于提供上述氮化硅/硼化锆陶瓷的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述氮化硅/硼化锆陶瓷的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种原位合成氮化硅/硼化锆复相陶瓷，所述氮化硅/硼化锆复相陶瓷是将预氧化的ZrB₂、Si粉和烧结助剂MgO-Y₂O₃经球磨混料干燥后，得到Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃混合粉体；将混合粉体进行造粒和成型，再采用冷等静压在100～300MPa保压制得Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃坯体；将坯体在氮气气氛下，升温至1300～1450℃烧结，然后升温至1500～1600℃烧结制得。

优选地，所述氮化硅/硼化锆复相陶瓷的相对密度为95～99％，硬度为18～25GPa，断裂韧性为10～15MPa·m^1/2，抗弯强度为800～1200MPa。

优选地，所述Si、预氧化的ZrB₂、MgO-Y₂O₃的质量分比为(50～98)：(1～40)：(1～10)。

优选地，所述的Si粉的纯度为95～99％，Si粉的粒径为0.1～10μm；ZrB₂的纯度为95～99％，ZrB₂的粒径为0.1～10μm；MgO粉的纯度98～100％，Y₂O₃的纯度98～00％。

优选地，所述的预氧化的ZrB₂预氧化是将ZrB₂在500～1000℃保温1～10h处理制得。

优选地，所述MgO-Y₂O₃中的MgO：Y₂O₃的质量比为(3～5)：(5～7)。

优选地，所述升温至1300～1450℃烧结的时间为0.5～4h；升温至1500～1600℃烧结的时间为0.5～2h。

优选地，所述升温至1300～1450℃的速率为10～20℃/min；所述升温至1500～1600℃的速率为5～10℃/min。

所述的原位合成氮化硅/硼化锆复相陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.将预氧化的ZrB₂，Si粉和MgO-Y₂O₃烧结助剂，经球磨混料，干燥后得到Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃混合粉体；

S2.将Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃混合粉体进行造粒，然后将造粒粉体进行成型，通过冷等静压在100～300MPa保压1～10min，制得Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃坯体；

S3.将Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃坯体在1～20atm的氮气气氛下，升温至1300～1450℃烧结，然后升温至1500～1600℃烧结，制得氮化硅/硼化锆复相陶瓷。

所述原位合成氮化硅/硼化锆复相陶瓷在陶瓷轴承球、陶瓷刀具或导电陶瓷领域中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的预氧化后的ZrO₂在促进Si粉氮化的同时，引入了ZrB₂硬质相；往Si₃N₄中添加硬质相ZrB₂，可以显著提高其硬度，将ZrB₂进行预氧化可使得ZrB₂表面的ZrO₂充当氮化助剂，在促进Si粉氮化的同时引入ZrB₂硬质相。

2.本发明通过Si粉氮化的同时引入ZrB₂硬质导电相，不仅提高了Si₃N₄陶瓷的力学性能，而且随着ZrB₂的加入可以对其导电性进行调节，ZrB₂作为导电陶瓷，Si₃N₄作为绝缘陶瓷，随着ZrB₂含量的增加，导电性增强。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1.以Si粉(粒径1μm)为原料，以10％ZrB₂(粒径为0.1μm)为第二相，将在1000℃保温10h的预处理ZrB₂，5％MgO粉(纯度为99.9％)和5％Y₂O₃粉(纯度为99.9％)为添加剂进行配料，以乙醇为溶剂，以Si₃N₄球为球磨介质，在球磨机上混合8h，经球磨混料干燥后，得到均匀的Si-ZrB_2-MgO-Y₂O₃混合粉体。

2.将Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃混合粉体放入模具进行成型获得坯体，然后通过冷等静压，在压力200MPa下保压时间为5min，获得Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃坯体。

3.将Si-ZrB₂-MgO-Y₂O₃坯体放入石墨坩埚，以20℃/min的速率升温至1400℃保温2h，气氛为1atm的氮气，再以10℃/min的速率升温至1500℃保温4h，气氛为10atm的氮气，通过气压烧结，获得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷。

本实施例制备得到的Si₃N₄-ZrB₂陶瓷的相对密度为99％，硬度为23GPa，断裂韧性为15MPa·m^1/2，弯曲强度为1200MPa。

实施例2

与实施例1不同的在于：将在500℃保温1h的预处理ZrB₂、Si粉、MgO、Yb₂O₃粉的质量比为40：55：2.5：2.5进行配料，其中，首先升温至1300℃保温4h，然后升温至1500℃保温2h，制得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷。

制备所得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷的相对密度为99％，材料的硬度为25GPa，断裂韧性为10MPa·m^1/2，弯曲强度为1200MPa。

实施例3

与实施例1不同的在于：将在800℃保温5h的预处理ZrB₂、Si粉、MgO、Yb₂O₃粉质量比为20：75：2.5：2.5进行配料，其中，首先升温至1450℃保温0.5h，然后升温至1600℃保温1h，制得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷。

制备所得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷的相对密度为99％，材料的硬度为20GPa，断裂韧性为12MPa·m^1/2，弯曲强度为1000MPa。

实施例4

与实施例1不同的在于：将在1000℃保温10h的预处理ZrB₂、Si粉、MgO、Yb₂O₃粉质量比为5：85：5：5进行配料，其中，首先升温至1400℃保温4h，然后升温至1500℃保温1h，制得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷。

制备所得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷的相对密度为99％，材料的硬度为20GPa，断裂韧性为15MPa·m^1/2，弯曲强度为1200MPa。

实施例5

与实施例1不同的在于：将在600℃保温5h的预处理ZrB₂、Si粉、MgO、Yb₂O₃粉质量比为20：75：2.5：2.5进行配料，其中首先升温至1450℃保温4h，然后升温至1600℃保温4h，制得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷。

制备所得Si₃N₄-ZrB₂陶瓷的相对密度为99％，材料的硬度为20GPa，断裂韧性为10MPa·m^1/2，弯曲强度为1000MPa。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。