一种氮氧化硅透波陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于无机非金属材料领域，具体涉及一种氮氧化硅透波陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、高速飞行器的飞行马赫数不断提高，对高温透波陶瓷材料的热稳定性、透波性能和力学性能性能提出了更高的要求。透波陶瓷材料成为了高超声速飞行器天线罩、雷达天线窗等关键部件的重要候选材料，集耐高温、高强、高韧、透波于一体的高温透波材料是提升导弹打击精度的关键瓶颈之一。因此，亟需发展具有优异热稳定性、优异透波性能和良好力学性的高温透波陶瓷材料。

2、氮氧化硅是一种类似于氮化硅结构的化合物，其化学键的多元性和结构的多样性决定其优良的性能。氮氧化硅材料与氮化硅材料具有相似的热力学和力学性能，但其化学稳定性、抗热震性、抗氧化性均优于氮化硅材料，它是介于二氧化硅和氮化硅之间一种稳定结构的中间相，所以它的透波性能优于氮化硅陶瓷。氮氧化硅陶瓷是sio2 -si3n4体系中存在的唯一化合物，具有密度低、硬度高、介电常数小、抗氧化性和抗热冲击优异等性能，在高温透波领域具有较大应用前景。

3、目前，由于氮氧化硅具有很强的共价键，低的扩散系数，烧结困难，难以得到致密的氧氮化硅制品，而且高温易分解和难以获得高纯的氮氧化硅原料。

技术实现思路

1、本发明提出一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，以氮化硅和二氧化硅为原料，通过配方设计和工艺优化，采用气压烧结法（gps）制备氮氧化硅陶瓷，微观结构是由具有较高长径比柱状晶体相互桥接组成，起到一定的增韧效果，从而使氮氧化硅材料的力学性能、透波性能、耐高温性能协同增强，可以作为一种结构功能一体化的透波陶瓷材料。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，混料，将氮化硅粉、二氧化硅粉、烧结助剂、添加剂、溶剂和粘结剂按比例称量，在球磨罐中进行混合，得到混合料；

5、步骤2，制粉，将混合料进行喷雾造粒，得到球形粒径均匀的造粒粉；步骤3，成型，将造粒粉干压成型，得素坯；

6、步骤4，冷等静压，将干压成型的素坯进一步冷等静压处理，使素坯更加致密；

7、步骤5，排胶，将素坯烘干，然后排胶；

8、步骤6，气压烧结，将经过排胶的素坯进行气压烧结。

9、本发明的特点还在于，其中的步骤1中，按照质量百分比计，其制备原料包括：60%-80%的氮化硅粉体和20%-40%的二氧化硅粉，烧结助剂为氮化硅粉体和二氧化硅粉混合物总质量的1~15%，添加剂为氮化硅粉体和二氧化硅粉混合物总质量的1~20%。

10、其中的步骤1中，烧结助剂包括金属氧化物与稀土氧化物，金属氧化物为al2o3、mgo、zro2中的至少一种，稀土氧化物为y2o3、yb2o3、ce2o3、nd2o3、sm2o3中的至少一种，金属氧化物与稀土氧化物的质量比为（1~5）：1；

11、其中的步骤1中，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛酯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种，粘结剂为氮化硅粉体和二氧化硅粉混合物总质量的 1%~5%；

12、其中的步骤1中，添加剂为bn、sio2中的至少一种；

13、其中的步骤1溶剂为酒精，去离子水中的一种；

14、其中的步骤1中，氮化硅粉的粒径为1~50µm，二氧化硅粉体粒径为0.5~10µm，金属氧化物与稀土氧化物粉体粒径为0.1~10µm。

15、其中的步骤1中，以氮化硅球磨介质，溶剂：料：球比例1:（0.5~2）：（2~10），转速为100~500r/min，球磨时间2~18h；

16、其中的步骤2中，喷雾干燥工艺为喷头频率30~50hz，出口温度100~200℃；

17、其中的步骤3中，干压成型具体为用10~30mpa压强压成素坯；

18、其中的步骤4中，然后将干压成型的素坯装入真空袋中抽真空，抽完放入冷等静压机中加120~200mpa压强，保压2~5min时间，卸压至压强90~140mpa，保压1~2min，卸压至压强50~70mpa，保压40~50s，得素坯；

19、其中的步骤5中，排胶具体为：将烘干后的素坯装入排胶炉中，抽真空，然后以0.5~5℃/min的加热速率升温至300~400℃保温2~10h，再以0.5~5℃/min的加热速率升温至550~650℃保温2~10h；

20、其中的步骤6中，将经过排胶的素坯，放入石墨坩埚中，装入气压炉炉膛中，关闭炉膛，打开电源开始抽真空并加热。气压烧结工艺，室温经1~15℃/min速率升温至1100~1200℃，保温60~180min，并加氮气压强至0.1~0.5mpa，再在0.1~0.5mpa下经1~15℃/min速率升温至1300~1400℃，保温60~240min，并加氮气压强至1.0~2.0mpa，再在1.0~2.0mpa下经0.1~5℃/min速率升温至1550~1650℃，保持60~210 min，并加压至3.0~8.0mpa，再在3.0~8.0mpa下经0.1~5℃/min速率升温至1650~1750℃，在1650~1750℃且3.0~8.0mpa下保持60~540min，自然降至室温。

21、本发明的有益效果是：

22、本发明以氮化硅和二氧化硅为原料，通过配方设计和工艺优化，采用气压烧结法制备氮氧化硅陶瓷，具有优异的力学性能，介电性能，是一种新型高温透波陶瓷材料。

23、本发明采用金属氧化物与稀土氧化物复合烧结助剂体系，添加一定量的多种烧结助剂，金属氧化物可以形成低熔点的液相，从而促进材料的烧结致密化，稀土氧化物对材料的晶粒形貌有着不同影响，从而影响材料的性质，通过不同种类稀土氧化物的加入，调控材料的显微组织结构以提高材料的综合性能。烧结助剂有助于抑制晶粒长大，晶粒尺寸细长、均匀生长，促进长棒状晶粒长径比增大，此外，氧化物烧结助剂还可以提供制备氮氧化硅的部分氧源。添加剂为氮化硼、二氧化硅，使制备的氮氧化硅陶瓷材料的介电常数与介电损耗降低，从而提升材料的透波性能，以及优异的耐高温性能。同时，采用气压烧结可以提高烧结活性，促使陶瓷组织高致密化及晶粒生长，高的氮气压力下也可以抑制氮氧化硅分解。随着氮气压力提高，晶粒长径比提高，棒状晶的增韧效果起到作用，使材料气孔率增大的情况下表现出较好的力学性能，气孔率增大可以降低介电常数，一定长径比的棒状晶相互桥接，增强基体的强度与韧性，使氮氧化硅材料的力学性能、透波性能、耐高温性能协同增强，制备出高强度、低密度、低介电的氮氧化硅陶瓷，可以作为一种结构功能一体化的透波陶瓷材料。

技术特征：

1.本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，按照质量百分比计，其制备原料包括：60%-80%的氮化硅粉体和20%-40%的二氧化硅粉，烧结助剂为氮化硅粉体和二氧化硅粉混合物总质量的1~15%，添加剂为氮化硅粉体和二氧化硅粉混合物总质量的1~20%。

3.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，烧结助剂包括金属氧化物与稀土氧化物，金属氧化物为al2o3、mgo、zro2中的至少一种，稀土氧化物为y2o3、yb2o3、ce2o3、nd2o3、sm2o3中的至少一种，金属氧化物与稀土氧化物的质量比为（1~5）：1。

4.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛酯、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一种，粘结剂为氮化硅粉体和二氧化硅粉混合物总质量的 1%~5%。

5.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，添加剂为bn、sio2中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，溶剂为酒精，去离子水中的一种。

7.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，氮化硅粉的粒径为1~50µm，二氧化硅粉体粒径为0.5~10µm，金属氧化物与稀土氧化物粉体粒径为0.1~10µm。

8.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，以氮化硅球磨介质，溶剂：料：球比例1:1（0.5~2）：（2~10），转速为100~500r/min，球磨时间2~18h。

9.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，喷雾干燥工艺为喷头频率30~50hz，出口温度100~200℃。

10.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，干压成型具体为用10~30mpa压强压成素坯。

11.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中，然后将干压成型的素坯装入真空袋中抽真空，抽完放入冷等静压机中加120~200mpa压强，保压2~5min时间，卸压至压强120~140mpa，保压1~2min，卸压至压强50~70mpa，保压40~50s，得素坯。

12.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤5中，排胶具体为：将烘干后的素坯装入排胶炉中，抽真空，然后以0.5~5℃/min的加热速率升温至300~400℃保温2~10h，再以0.5~5℃/min的加热速率升温至550~650℃保温2~10h。

13.根据权利要求1所述的本发明提供一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤6中，将经过排胶的素坯，放入石墨坩埚中，装入气压炉炉膛中，关闭炉膛，打开电源开始抽真空并加热。气压烧结工艺，室温经1~15℃/min速率升温至1100~1200℃，保温60~180min，并加氮气压强至0.1~0.5mpa，再在0.1~0.5mpa下经1~15℃/min速率升温至1300~1400℃，保温60~240min，并加氮气压强至1.0~2.0mpa，再在1.0~2.0mpa下经0.1~5℃/min速率升温至1550~1650℃，保持60~210 min，并加压至3.0~8.0mpa，再在3.0~8.0mpa下经0.1~5℃/min速率升温至1650~1750℃，在1650~1750℃且3.0~8.0mpa下保持60~540min，自然降至室温。

技术总结本发明涉及一种高强度氮氧化硅透波陶瓷的制备方法，包括：按照质量百分比计，将原料60%‑80%的氮化硅粉体和20%‑40%的二氧化硅粉，1~15%的烧结助剂，1~20%的添加剂混合均匀，进行喷雾造粒，将造粒粉先干压成型，再进一步冷等静压处理，然后排胶，将经过排胶的素坯升温至1650~1750℃，氮气压力3.0~8.0 MPa进行气压烧结。本发明制备的氮氧化硅陶瓷，微观结构是由具有较高长径比柱状晶体相互桥接组成，从而使氮氧化硅材料的力学性能、透波性能、耐高温性能协同增强，可以作为结构功能一体化的透波陶瓷材料。本发明工艺方法简单，原料易得，无污染，生产成本低，极具工业化前景。技术研发人员：管晶,赵向楠,容亚红,李旭受保护的技术使用者：西安澳秦新材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9