CN102659407A - 一种原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温功能/结构陶瓷领域，具体地说是一种原位反应制备镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)陶瓷材料的方法。以氧化镥粉(Lu₂O₃)、氧化硅粉(SiO₂)和氮化硅粉(Si₃N₄)混合而成的固体粉末混合物作为原料，原位反应合成单相的Lu₄Si₂O₇N₂粉体陶瓷材料，原料粉的摩尔比为Lu₂O₃∶SiO₂∶Si₃N₄＝4∶(0.8-1.2)∶(0.8-1.2)。本发明可以在较低温度下，较短的时间内制备得到高纯度镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)陶瓷粉体或者块体材料，所制备出的Lu₄Si₂O₇N₂陶瓷块体材料具有致密、热导率低等特点，是优良的隔热高温陶瓷材料。

Description

一种原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法

技术领域

本发明涉及高温功能/结构陶瓷领域，具体地说是一种原位反应制备镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)陶瓷材料的方法。

背景技术

Lu₄Si₂O₇N₂陶瓷材料是一种新型耐高温陶瓷材料，硬度和模量高、可以作为一种高温结构/功能一体化陶瓷应用。同时作为氮化硅陶瓷的晶间相，其高温性能优异，对提高基体的高温力学性能有益。另外，该陶瓷具有很低的热导率和较好的高温刚度，因此也可以作为潜在的隔热材料，在航空、航天、核工业和高温结构件等高新技术领域有广泛的应用前景。但是，Lu₄Si₂O₇N₂在合成过程中有较多的Lu-Si-O-N三元或四元竞争相，长期以来难以获得较纯的Lu₄Si₂O₇N₂块体陶瓷材料。迄今为止，尚没有关于镥硅氧氮陶瓷块体材料制备或性能方面的报道。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供了一种原位反应制备镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)陶瓷材料的方法，其工艺简单、合成温度低、耗时短，节约能源，且可以获得高纯度的镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)陶瓷材料。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案：

采用原位反应制备Lu₄Si₂O₇N₂材料的方法，以氧化镥粉(Lu₂O₃)、氧化硅粉(SiO₂)和氮化硅粉(Si₃N₄)混合而成的固体粉末混合物作为原料，原位反应合成单相的Lu₄Si₂O₇N₂粉体陶瓷材料，原料粉的摩尔比为Lu₂O₃∶SiO₂∶Si₃N₄＝4∶(0.8-1.2)∶(0.8-1.2)。

本发明中，获得Lu₂SiO₅粉体陶瓷材料的平均粒度为0.5-2μm。

本发明中，获得Lu₂SiO₅块体陶瓷材料的相对致密度为99％。

原粒粉中，氧化镥粉的纯度≥99.99wt.％，其平均粒度10-20μm；氧化硅粉的纯度≥99wt.％，其平均粒度10-20μm；氮化硅粉的纯度≥95wt.％，其平均粒度10-30μm。

本发明所述原位反应制备镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)陶瓷材料的方法，包括如下步骤：

(1)将氧化镥粉(Lu₂O₃)、氧化硅粉(SiO₂)和氮化硅粉(Si₃N₄)粉末混合物经球磨机球磨5～50小时，将粉末置于烘箱中，在50～70℃下烘干，得到干燥粉末；

(2)以5-20MPa的压力，常温下将步骤(1)得到的干燥粉末冷压成饼状，冷压时间5-30分钟，然后装入石墨模具中，在通有氮气保护气氛的热压炉中烧结，热压炉以2～50℃/min的升温速率升至1400～1800℃后保温，原位反应0.5～3小时，得到单相的粉体陶瓷材料。

原位反应的同时进行热压处理，得到块状的镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)陶瓷材料。热压压力为20-40MPa，热压压力优选为30MPa。

步骤(1)中，球磨过程采用氮化硅球加入分析纯乙醇进行湿磨。

步骤(1)中，球磨介质与原料粉末的分离采用过筛法，筛子的孔径为200目。

步骤(1)中，球磨机球磨时间优选为8～24小时，温度优选升至为70℃。

步骤(2)中，热压炉的升温速率优选为5-30℃/min。

步骤(2)中，反应气氛为纯度≥99％(体积)的氮气。

步骤(2)中，反应保温温度优选温度为1400℃-1700℃。

本发明具有如下优点：

1.本发明采用的原料简单，以摩尔比的氧化镥粉、氧化硅粉和氮化硅粉混合而成的固体粉末混合物作为原料。

2、本发明通过原位反应热压方法，烧结与致密化同时进行，获得致密均匀的镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)块体材料，其相对致密度可以达到99％。

3、本发明方法获得的Lu₄Si₂O₇N₂块体陶瓷材料具有很低的热导率，其热导率可以达到1.39-1.51Wm^-1K^-1，是极具应用前景的高温隔热陶瓷材料。

4、本发明方法获得的Lu₄Si₂O₇N₂陶瓷材料，其硬度可以达到10-12GPa。

附图说明

图1为实施例1制备的Lu₄Si₂O₇N₂陶瓷材料的X射线衍射图谱。

图2为实施例2制备的块体Lu₄Si₂O₇N₂材料扫描电镜照片。

图3为实施例2制备的块体Lu₄Si₂O₇N₂材料热导率与温度的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明。

实施例1

称取Lu₂O₃粉(纯度：99.99wt.％，其平均粒度为15μm)159.2g，SiO₂粉(纯度：99wt.％，其平均粒度为10μm)6g，Si₃N₄粉(纯度：≥95wt.％，其平均粒度为20μm)14g(三种粉末的摩尔量为0.4mol、0.1mol、0.1mol)倒入氮化硅球磨罐中进行常规湿磨，加入分析纯无水乙醇，用氮化硅球湿混24小时。之后利用烘箱在空气中70℃烘干8小时。烘干后用200目的筛子将粉末与氮化硅球分离。将分离后得到的混合物原料粉在5MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间30分钟。将样品放在石墨模具中，在通有氮气保护气的高温热压炉中，以15℃/min的升温速率升温至1600℃保温，原位反应60min，合成单相粉体镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)粉体材料，其平均粒度为1μm。

如图1所示，随炉冷却至室温后，将获得的粉体材料经X射线衍射分析为单一Lu₄Si₂O₇N₂相。

实施例2

称取Lu₂O₃粉(纯度：99.99wt.％，其平均粒度为15μm)159.2g，SiO₂粉(纯度：99wt.％，其平均粒度为10μm)6g，Si₃N₄粉(纯度：≥95wt.％，其平均粒度为20μm)14g(三种粉末的摩尔量为0.4mol、0.1mol、0.1mol)，倒入氮化硅球磨罐中进行常规湿磨，加入分析纯无水乙醇，用氮化硅球湿混24小时。之后利用烘箱在空气中70℃烘干8小时。烘干后用200目的筛子将粉末与氮化硅球分离。将分离后得到的混合物原料粉在5MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间30分钟。将样品放在石墨模具中，在通有氮气保护气的高温热压炉中，以15℃/min的升温速率升温至1700℃保温，原位反应60min。升温过程中进行热压，所选热压压力值为30MPa。随炉冷却至室温后，将获得的块体材料经X射线衍射分析为致密均匀的镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)块体陶瓷，其相对致密度可以达到99％，其热导率可以达到1.39Wm^-1K^-1，其硬度可以达到11.5GPa。

相应的扫描电镜照片和热导率随温度的变化曲线分别列于图2和图3。从图2中，可以看到本发明方法可以得到致密均匀的镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)块体陶瓷。如图3所示，列出了一些常见的低热导率陶瓷，可见本发明方法所得的镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)块体陶瓷具有很低的热导率。

实施例3

称取Lu₂O₃粉(纯度：99.99wt.％，其平均粒度为15μm)159.2g，SiO₂粉(纯度：99wt.％，其平均粒度为10μm)7.2g，Si₃N₄粉(纯度：≥95wt.％，其平均粒度为20μm)16.8g(三种粉末的摩尔量为0.4mol、0.12mol、0.12mol)，倒入氮化硅球磨罐中进行常规湿磨，加入分析纯无水乙醇，用氮化硅球湿混24小时。之后利用烘箱在空气中50℃烘干8小时。烘干后用200目的筛子将粉末与氮化硅球分离。将分离后得到的混合物原料粉在15MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间15分钟。将样品放在石墨模具中，在通有氮气保护气的高温热压炉中，以10℃/min的升温速率升温至1600℃保温，原位反应120min。升温过程中进行热压，所选热压压力峰值为40MPa。随炉冷却至室温后，将获得的块体材料经X射线衍射分析为致密均匀的镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)块体陶瓷，其相对致密度可以达到99％，其热导率可以达到1.4Wm^-1K^-1，其硬度可以达到11GPa。

实施例结果表明，本发明可以在较低温度下，较短的时间内制备得到高纯度镥硅氧氮(Lu₄Si₂O₇N₂)陶瓷粉体或者块体材料，所制备出的Lu₄Si₂O₇N₂陶瓷块体材料具有均匀致密、热导率低等特点，是优良的隔热高温陶瓷材料。

Claims (9)

1.一种原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，以氧化镥粉、氧化硅粉和氮化硅粉混合而成的固体粉末混合物作为原料，原位反应合成单相的Lu₄Si₂O₇N₂粉体陶瓷材料，原料粉的摩尔比为Lu₂O₃∶SiO₂∶Si₃N₄＝4∶(0.8-1.2)∶(0.8-1.2)。

2.按权利要求1所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，原料粉中，氧化镥粉的纯度≥99.99wt.％，其平均粒度10-20μm；氧化硅粉的纯度≥99wt.％，其平均粒度10-20μm；氮化硅粉的纯度≥95wt.％，其平均粒度10-30μm。

3.按权利要求1所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，具体的制备步骤为，

(1)将氧化镥粉、氧化硅粉和氮化硅粉粉末混合物经球磨机球磨5～50小时，将粉末置于烘箱中，在50～70℃下烘干，得到干燥粉末；

(2)以5-20MPa的压力，常温下将步骤(1)得到的干燥粉末冷压成饼状，冷压时间5-30分钟，然后装入石墨模具中，在通有氮气保护气氛的热压炉中烧结，热压炉以2～50℃/min的升温速率升至1400～1800℃后保温，原位反应0.5～3小时，得到单相的粉体陶瓷材料。

4.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，原位反应的同时进行热压处理，得到块状的镥硅氧氮陶瓷材料。

5.按权利要求4所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，热压处理的压力为20-40MPa。

6.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，球磨过程采用氮化硅球加入分析纯乙醇进行湿磨。

7.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，球磨介质与原料粉末的分离采用过筛法，筛子的孔径为200目。

8.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，升温速率为5-30℃/min。

9.按权利要求3所述的原位反应制备镥硅氧氮陶瓷材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，反应气氛为纯度≥99％的氮气。

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