專利名稱：半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半透明硬質(zhì)賽隆(Sialon)陶瓷材料及其制備方法，更確切地說涉及一種組成通式為MxNySi12-m-nAlm+nOnN16-n的一種半透明硬質(zhì)賽隆(Sialon)陶瓷材料及其制備方法。屬于透明陶瓷領(lǐng)域。
α-Sialon系α-Si3N4的固溶體，可簡寫為α’，其結(jié)構(gòu)與α-Si3N4相似，化學(xué)通式為MexSi12-m-nAlm+nOnN16-n(x≤2)，其中Me為Li1+、Mg2+、Ca2+、Y3+或稀土離子。α-Sialon相的特點是具有很高的硬度和良好的抗熱震性、抗氧化性。單相α-Sialon較難獲得，常制成α’+β’復(fù)相材料。該類材料已用于制造陶瓷軸承、密封環(huán)及砂磨機的磨球。
β-Sialon是β-Si3N4的固溶體，簡寫為β’，其化學(xué)通式為Si6-zAlzOzN8-z(0＜z＜4.2)，其中Z個N被O取代，同時Z個Si被Al取代，從而形成固溶體并保持電中性，不形成任何空位或填隙的點缺陷。該類材料因其具有高強度和高韌性以及較好的燒結(jié)性能，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，主要用作切削刀具的刀尖。
至于透明陶瓷，按一般原理，半透明陶瓷材料的制備多選擇具有光學(xué)各向同性的立方晶型或等軸晶型材料，且需使用超細(xì)粉體，再經(jīng)熱壓或熱等靜壓燒結(jié)成高致密陶瓷體。但近幾年來，隨粉體技術(shù)和燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展，非氧化物半透明陶瓷的研制和開發(fā)也屢有報道。例如可用作散熱片、基片和包分封材料的透明六方AlN陶瓷已有不少報道。但有關(guān)Sialon透明陶瓷的報道甚少，如能將其制成透明或半透明，這無疑將可擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。1999年日本公開特許特開平11-343173上公開了一種半透明Sialon燒結(jié)體及其制備方法。所涉及的Sialon燒結(jié)體的組成通式為典型的β-SialonSi6-zAlzOzN8-z，其中z＜1.0。其燒結(jié)體組織為Sialon主晶相和含釔的氧化物或氧氮化物組成的晶界相。樣品室溫下的四點彎曲強度大于1000MPa；1200℃下的彎曲強度大于600MPa。該Sialon材料的制備方法是在比表面積大于10m2/g的Sialon質(zhì)粉料中加入4-6wt％比表面積為20m2/g以上的Y2O3粉體，經(jīng)干壓成型或澆注成型后，在流動氮氣氛下先于1650-1800℃常壓燒結(jié)，保溫1-3小時；然后在150-190MPa氮氣壓力下，于1600-1700℃溫度下熱等靜壓處理，制得具有透光性的Sialon陶瓷材料，實質(zhì)上是β-Sialon透明陶瓷。顯然，該公開特許的專利技術(shù)存在的缺點在于(1)使用常壓燒結(jié)后再等靜壓處理工藝，技術(shù)復(fù)雜，對設(shè)備要求高，制備成本相應(yīng)較高；(2)僅描述了所制樣品具有可見光條件下的透光性，既未表示出透過率，又未標(biāo)明Sialon樣品的尺寸。
實際上，通式(1)與α-Sialon的表達(dá)式MexSi12-m-nAlm+nOnN16-n是一致的，它僅僅在組分上有所改變，使α-Sialon組分中的Me變?yōu)閮r數(shù)為2和價數(shù)為3的二種元素(M，N)的復(fù)合，且二者的摩爾比符合2X+3Y＝m的關(guān)系式。在相圖中，組成選擇落在劃 的區(qū)域內(nèi)(

圖1)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種通式為(1)的透明Sialon陶瓷的制備方法。具體制備過程為(1)將氮化硅、氮化鋁、氧化鋁、氧化鈣或氧化鍶中的一種、以及氧化釔、氧化釹、氧化鏑或氧化鐿中的一種或(氧化釔+氧化釹)、(氧化釔+氧化鏑)、(氧化釔+氧化鐿)中的任一組合，按通式(1)的組分比例配料，濕混，經(jīng)干燥、造粒后，熱壓燒結(jié)。濕混的球料比具體為粉料∶磨球(Si3N4)∶乙醇＝1(g)∶5(g)∶5(ml)，干燥在80-90℃條件下進(jìn)行，造粒、過篩(80目)，制成具有一定流動性的粉料。(2)熱壓燒結(jié)是將此混合粉體填充在石墨模具中，在0.8-40MPa機械壓力和1500-1800℃溫度下，在流動氮氣氣氛中進(jìn)行單軸熱壓。首先以3-8℃/分鐘的升溫速度將樣品加熱到850-1250℃，并保持30-60分鐘，然后再以5-10℃/分鐘的升溫速度加熱到最高燒結(jié)溫度1500-1800℃，并保持30-120分鐘，然后隨爐冷卻。經(jīng)過上述過程，即可制得半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料。
按上述方法制備的半透明Sialon陶瓷樣品的最大尺寸為70mm。本發(fā)明的優(yōu)點是顯而易見的(1)所使用原料均為市售商品化化學(xué)純原料；(2)采用的燒結(jié)工藝是一般熱壓工藝，無需熱等靜壓設(shè)備，從而成本大大下降。
(3)燒結(jié)樣品透光均勻，可制成大尺寸樣品。
圖2是本發(fā)明提供的透明Sialon陶瓷樣品的直觀圖。
左面的樣品尺寸為直徑70mm，厚1mm；右面的樣品尺寸為直徑25mm，厚0.5mm。
具體實施例方式
通過下面具體實施例和對比例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步。但本發(fā)明決非僅限于所述的實施例。
實施例1將氮化硅，氮化鋁，氧化鋁，氧化鈣、氧化釔、氧化鏑原料按X＝0.05，Y＝0.77，m＝2.41，n＝1.10配制成組成為Ca0.05(Y，Dy)0.77Si8.49Al3.51O1.1N14.9的混合料。采用在乙醇介質(zhì)中球磨混合的方法，其中粉料∶磨球(Si3N4)∶乙醇＝1(g)∶5(g)∶5(ml)，濕混合粉料經(jīng)85℃干燥、造粒(80目)后用于熱壓燒結(jié)。將此混合粉體填充在石墨模具中，在30MPa機械壓力和1680℃溫度下，在流動氮氣氣氛中進(jìn)行單軸熱壓，并保持70分鐘，然后隨爐冷卻。經(jīng)過上述過程，即可制得半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料。具體升溫速率是先以5℃/分鐘升溫速度加熱到1150℃，保溫45分鐘，加熱后再以8℃/分鐘速度升溫至1680℃，燒結(jié)且保溫。
實施例2將氮化硅，氮化鋁，氧化鋁，氧化鍶、氧化釔、氧化鐿原料按X＝0.05，Y＝0.61，m＝1.93，n＝1.4配制成組成為Sr0.05(Y，Yb)0.61Si8.67Al3.33O1.4N14.6的混合料。采用在乙醇介質(zhì)中球磨混合的方法，其中粉料∶磨球(Si3N4)∶乙醇＝1(g)∶5(g)∶5(ml)，濕混合粉料經(jīng)干燥、造粒后用于熱壓燒結(jié)。將此混合粉體填充在石墨模具中，在20MPa機械壓力和1740℃溫度下，在流動氮氣氣氛中進(jìn)行單軸熱壓，并保持80分鐘，然后隨爐冷卻。經(jīng)過上述過程，即可制得半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料。其余同實施例1。
半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料制備的主要控制因素在于組成和燒結(jié)工藝，下面通過對比例加以說明。
對比例1將氮化硅，氮化鋁，氧化鋁，氧化鈣、氧化釹原料按X＝0.01，Y＝0.33，m＝1.01，n＝1.7配制成組成為Ca0.01Nd0.33Si9.29Al2.71O1.7N14.3的混合料。其余處理方式同實施例1。將此混合粉體填充在石墨模具中，在30MPa機械壓力和1800℃溫度下，在流動氮氣氣氛中進(jìn)行單軸熱壓，并保持45分鐘，然后隨爐冷卻。經(jīng)過上述過程得到的硬質(zhì)賽隆陶瓷材料不具有透光性。
對比例2將氮化硅，氮化鋁，氧化鋁，氧化鍶、氧化鐿原料按X＝0.01，Y＝0.33，m＝1.01，n＝1.7配制成組成為Sr0.01Yb0.33Si9.29Al2.71O1.7N14.3的混合料。其余處理方式同實施例1。將此混合粉體填充在石墨模具中，在0.8-30MPa機械壓力和1800℃溫度下，在流動氮氣氣氛中進(jìn)行單軸熱壓，并保持45分鐘，然后隨爐冷卻。經(jīng)過上述過程得到的硬質(zhì)賽隆陶瓷材料不具有透光性。
對比例3將氮化硅，氮化鋁，氧化鋁，氧化鏑原料按X＝0，Y＝0.35，m＝1.05，n＝1.7配制成組成為Dy0.35Si9.25Al2.75O1.7N14.3的混合料。其余處理方式同實施例1。將此混合粉體填充在石墨模具中，在0.8-30MPa機械壓力和1750℃溫度下，在流動氮氣氣氛中進(jìn)行單軸熱壓，并保持45分鐘，然后隨爐冷卻。經(jīng)過上述過程得到的硬質(zhì)賽隆陶瓷材料不具有透光性。
相對實施例1、2，對比例1、2、3中加入的氧化物助劑少，盡管相應(yīng)提高燒結(jié)溫度，但樣品仍不呈現(xiàn)透光性。
實施例與對比例比較明細(xì)表

權(quán)利要求
1.一種半透明硬質(zhì)賽隆(Sialon)陶瓷材料，其特征在于組成通式為MxNySi12-m-nAlm+nOnN16-n，式中M為Ca或Sr中一種，N包括Y、Nd、Dy或Yb中的一種或Y+Nd、Y+Dy和Y+Yb中的任一種組合，且0.75＞X＞0，0.83＞Y＞0.33，2X+3Y＝m，2.5＞m＞1.0，2.0＞n＞0.9。
2.按權(quán)利要求1所述半透明硬質(zhì)賽隆(Sialon)陶瓷材料，其特征在于組成為Ca0.05(Y，Dy)0.77Si8.49Al3.51O1.1N14.9即X＝0.05，Y＝0.77，m＝2.41，n＝1.10。
3.按權(quán)利要求1所述半透明硬質(zhì)賽隆(Sialon)陶瓷材料，其特征在于組成為Sr0.05(Y，Yb)0.61Si8.67Al3.33O1.4N14.6，即X＝0.05，Y＝0.61，m＝1.93，n＝1.4。
4.一種半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料及其制備方法，包括配料、濕混、干燥、造粒、熱壓燒結(jié)，其特征在于(1)將氮化硅，氮化鋁，氧化鋁，氧化鈣或氧化鍶中的一種，以及氧化釔、氧化釹，氧化鏑或氧化鐿中的一種或氧化釔+氧化釹、氧化釔+氧化鏑、氧化釔+氧化鐿，按MxNySi12-m-nAlm+nOnN16-n通式組分比例配料；(2)濕混條件為粉料∶磨球∶乙醇＝1g∶5g∶5ml；(3)干燥條件80-90℃；(4)熱壓燒結(jié)是將粉料充填充在石墨模具中，在0.8-40MPa壓力和1500-1850℃溫度下流動氮氣下單軸熱壓。
5.按權(quán)利要求4所述的半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料及其制備方法，其特征在于所述的原料均為市售化學(xué)純。
6.按權(quán)利要求4所述的半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料及其制備方法，其特征在于所述的磨球的材質(zhì)為Si3N4。
7.按權(quán)利要求4所述的半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料及其制備方法，其熱壓燒結(jié)首先以3-8℃/分鐘的升溫速度將樣品加熱到850-1250℃，并保持30-60分鐘，然后再以5-10℃/分鐘的升溫速度加熱到最高燒結(jié)溫度1500-1800℃，并保持30-120分鐘，然后隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明一種半透明硬質(zhì)賽隆陶瓷材料及其制備方法，屬于陶瓷領(lǐng)域，其特征在于塞隆陶瓷的組成通式為M
文檔編號C04B35/599GK1424284SQ0216073
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月27日
發(fā)明者劉茜, 歸林華 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所