一种晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷及其制备方法与流程

本发明涉及陶瓷材料制备，具体涉及一种晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、氮化硅陶瓷是一种具有优异的力学性能和物理性能的非氧化物陶瓷材料，广泛用于工程结构、机械制造和电子信息等领域，特殊的生物相容性使其拓展至生物医疗领域，是现代尖端科技材料家族中最具发展和应用前景的陶瓷材料之一。然而，尽管致密的氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、优异的耐磨性及耐酸碱性和无细胞毒性，但其脆性高、韧性低，极易因受到外界冲击而碎裂，同时其灰黑色的外观极大地限制了其在牙科修复、智能移动设备外壳等应用领域的发展。因此，如何解决致密氮化硅陶瓷的强度、韧性和外观匹配性成为亟待解决的问题。

2、为解决上述问题，中国专利申请cn115353400a公开了一种增韧氮化硅陶瓷材料及其制备方法，以具有良好韧性的改性碳纳米管为改性物质，采用真空热压成型工艺制备得到增韧氮化硅陶瓷材料，该方法可以在保证氮化硅陶瓷具有高抗弯强度的同时，有效提高其断裂韧性，但是一方面真空热压成型工艺能耗高、产量小难以实现工业化，另一方面碳纳米管的加入会加剧氮化硅陶瓷的灰黑色程度。中国专利申请cn114853482a公开了一种高韧性氮化硅纳米线/氮化硅层状陶瓷及其制备方法，以氮化硅纳米线纸为软相，以氮化硅陶瓷作为硬相，以层层组装的方式堆叠成模并采用热压烧结方法制备得到增韧氮化硅层状陶瓷，尽管该方法有效提高了氮化硅陶瓷的断裂韧性，但其抗弯强度仅为300mpa，且没有对材料的外观进行描述。中国专利申请cn110818428a公开了一种共晶增强增韧氮化硅陶瓷的制备方法，该方法采用放电等离子体烧结和气压烧结工艺使氮化硅材料中形成α和β相的共晶组织，获得一种氮化硅增强增韧陶瓷，尽管该方法可有效提高氮化硅陶瓷的强度和韧性，但是工艺复杂，特种产品应用范围较窄，同时未解决陶瓷材料外观问题。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷的制备方法，工艺简单、能耗低、易加工成复杂形状且具有白色外观，适用于对力学性能和外观有需求的产品的产业化生产。

2、本发明的目的之二是提供上述制备方法制得的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷，解决氮化硅陶瓷力学性能和外观匹配性差的问题。

3、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

4、第一方面，本发明提供一种晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

5、s1：以α-氮化硅为原料，以氧化钇、氧化镁、氧化硅为添加剂，以氧化锆球、无水乙醇为球磨介质，装入聚四氟乙烯罐中球磨，干燥，研磨后过100目筛得到白色混合粉料；

6、s2：将步骤s1所得的白色混合粉料、氮化硼晶须采用层叠工艺装入自制不锈钢磨具中，采用单轴压力进行干压成型得到干压素坯，然后采用冷等静压得到成型素坯；

7、s3：将步骤s2所得的成型素坯放入氮化硼坩埚中并用氮化硼粉体填埋包覆，将氮化硼坩埚置于通有惰性气体保护的真空炉中进行第一步低温无压烧结，冷却后得到可易于加工的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷块，加工成目标形状后放入氮化硼坩埚中并用氮化硼粉体填埋包覆，将氮化硼坩埚置于通有惰性气体保护的真空炉中进行第二步高温无压烧结、冷却后得到目标产品。

8、优选地，步骤s1中，添加剂加入量为α-氮化硅质量的7％～11％，原料添加剂混合粉体、氧化锆球、无水乙醇的质量比为1:1:1.2，球磨时间为8～12h，球磨转速为180～220rpm，干燥温度为60～80℃。

9、更优选地，氧化钇加入量为2％～3％、氧化镁加入量为2％～3％、氧化硅加入量为3％～5％。

10、优选地，步骤s2中层叠工艺控制白色混合粉料与氮化硼晶须的厚度比为3:1～5:1，干压成型压力为25～35mpa，冷等静压压力为280～320mpa。

11、优选地，步骤s3中第一步低温无压烧结温度为1000～1200℃，保温时间为1～3h；第二步低温无压烧结温度为1350～1450℃，保温时间为1～3h。

12、优选地，步骤s3中惰性气体为氮气或氩气。

13、第二方面，本发明提供由上述制备方法制得的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷。

14、本发明的制备方法采用粉末层叠工艺使晶须在干压素坯中定向排布以实现定向增韧作用，冷等静压后得到成型素坯，将素坯置于真空炉中低温烧结、退火后得到易于加工的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷块，再经高温烧结、退火后得到目标产品，实现了兼具力学性能和白色外观产品的低耗能、高效率制备，适用于对力学性能和外观有需求产品的产业化生产。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、1、本发明选用氮化硼晶须作为增韧物质，其是由氮原子和硼原子构成的纤维状一维材料，具有单晶结构，原子排布高度有序，缺陷较低，可以有效提高氮化硅陶瓷的断裂韧性和抗氧化能力。采用粉末层叠工艺使晶须在干压素坯中定向排布以实现定向增韧作用，与流延成型片的层层组装方式相比，避免了因流延片固含量低导致的素坯致密度低，因有机物残留导致碳元素高而引起的材料性能不稳定和颜色不均匀等问题。

17、2、本发明采用氮化硼粉填埋氮化硼坩埚，一方面可以保护氮化硅陶瓷不被真空炉的碳管污染，另一方面可以进一步保护氮化硅陶瓷不被残余氧气氧化，同时氮化硼粉可回收多次使用。

18、3、本方法制备的增韧氮化硅陶瓷烧结温度比热压或气压烧结工艺低约，200℃，晶体尺寸小且均匀，工艺简单、能耗及成本低，适用于对力学性能和外观有需求产品的产业化生产。

技术特征：

1.一种晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1中，添加剂加入量为α-氮化硅质量的7％～11％，原料添加剂混合粉体、氧化锆球、无水乙醇的质量比为1:1:1.2，球磨时间为8～12h，球磨转速为180～220rpm，干燥温度为60～80℃。

3.根据权利要求2所述的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，氧化钇加入量为2％～3％、氧化镁加入量为2％～3％、氧化硅加入量为3％～5％。

4.根据权利要求1所述的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s2中层叠工艺控制白色混合粉料与氮化硼晶须的厚度比为3:1～5:1，干压成型压力为25～35mpa，冷等静压压力为280～320mpa。

5.根据权利要求1所述的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s3中第一步低温无压烧结温度为1000～1200℃，保温时间为1～3h；第二步低温无压烧结温度为1350～1450℃，保温时间为1～3h。

6.根据权利要求1所述的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s3中惰性气体为氮气或氩气。

7.权利要求1至6任一项所述的制备方法制得的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷。

技术总结本发明公开了一种晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷及其制备方法，该方法包括：α‑氮化硅为原料，氧化钇、氧化镁、氧化硅为添加剂，球磨，干燥，研磨后过筛得到白色混合粉料；将白色混合粉料、氮化硼晶须采用层叠工艺装入不锈钢磨具中，干压成型得到干压素坯，冷等静压得到成型素坯；将成型素坯放入氮化硼坩埚中并用氮化硼粉体填埋包覆，将氮化硼坩埚置于真空炉中第一步低温无压烧结，冷却后得到可易于加工的晶须定向增韧白色氮化硅陶瓷块，加工成目标形状后放入氮化硼坩埚中并用氮化硼粉体填埋包覆，将氮化硼坩埚置于真空炉中进行第二步高温无压烧结、冷却后得到目标产品。该方法工艺简单、能耗低、易加工成复杂形状且具有白色外观。技术研发人员：张乐,王彤,邵岑,康健,李明洲,陈浩受保护的技术使用者：江苏锡沂高新材料产业技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11