高韧性、高硬度的碳化硅陶瓷液相烧结法.pdf

本发明是一种高韧性、高硬度的碳化硅陶瓷液相烧结法，其特征在于采用稀土氧化物和氮化铝为助烧结剂。本发明可在1800℃－1900℃的较低温度下获得高性能的SiC陶瓷，其压痕硬度可达到20GPa以上，韧性可达到6－8MPa.m1/2，显著提高了SiC陶瓷的性能。

1、  一种高韧性、高硬度的碳化硅陶瓷液相烧结法，其特征在于采用稀土氧化物和氮化铝为助烧结剂。

2、  如权利要求1所述的高韧性、高硬度碳化硅陶瓷液相烧结法，其特征在于碳化硅与上述稀土氧化物和氮化铝助烧结剂的混合重量百分比分别为60-98％和40-2％。

3、  如权利要求1所述的高韧性、高硬度碳化硅陶瓷液相烧结法，其特征在于上述稀土氧化物是镧系稀土氧化物或镧系混合稀土氧化物。

4、  如权利要求1所述的高韧性、高硬度碳化硅陶瓷液相烧结法，其特征在于上述稀土氧化物是氧化钇(Y₂O₃)。

5、  如权利要求1所述的高韧性、高硬度碳化硅陶瓷液相烧结法，其特征在于上述稀土氧化物是由La₂O₃到Lu₂O₃十五个稀土氧化物中的任何一个稀土氧化物。

6、  如权利要求1所述的高韧性、高硬度碳化硅陶瓷液相烧结法，其特征在于上述稀土氧化物是由La₂O₃到Lu₂O₃十五个稀土氧化物中的任两个以上的稀土氧化物。

7、  如权利要求1所述的高韧性、高硬度碳化硅陶瓷液相烧结法，其特征在于上述稀土氧化物是Y₂O₃和由La₂O₃到Lu₂O₃的十五个稀土氧化物中的任何一个稀土氧化物。

高韧性、高硬度的碳化硅陶瓷液相烧结法
技术领域
本发明涉及无机固体材料的制造工艺领域，属于碳化硅陶瓷制造技术，特别是一种高韧性、高硬度的碳化硅陶瓷液相烧结法。
背景技术
碳化硅陶瓷的常压烧结制法有两种：一种是固相烧结法，另一种是液相烧结法。碳化硅是强共价性化合物，很难烧结致密化，上世纪七十年代S.Prochazka^[1]首先用少量硼(B)和碳(C)作添加剂，SiC-B-C体系在2100℃以上固相烧结致密化。固相烧结的SiC陶瓷硬度高，但断裂韧性(3MPa.m^1/2)和强度(200-300 MPa)低，且烧结温度过高。
液相烧结法克服了固相烧结法的诸多缺陷，最典型也是正被沿用最多的液相烧结法是SiC-Al₂O₃-Y₂O₃体系^[2]，以Al₂O₃和Y₂O₃为助烧结剂，于1900℃以上获得致密化，该体系的缺点是：
(1)该体系中的Al₂O₃和Y₂O₃与存在于SiC表面的SiO₂，共熔温度太低，仅1360℃，过早出现液相，在高温烧结过程中易质量流失。
(2)高温下发生热化学反应：


上述分解反应导致质量流失(烧失量高)，也易使表面粗糙，故常需要用粉末床(埋粉)来减少质量流失。
使用AlN代替Al₂O₃，并加入稀土氧化物作助烧结剂，可克服Al₂O₃-Y₂O₃系助烧结剂的缺点。AlN基助烧结剂已经成功地用于Si₃N₄陶瓷的常压液相烧结^[3]，但用于SiC陶瓷则只有热压和高氮压烧结的报导^[4，5]，本发明乃首次将AlN-Re₂O₃(Re为稀土元素)，成功地用于SiC常压液相烧结。
发明内容
本发明的目的是克服现有固、液相烧结法的缺陷，提供一种高韧性、高硬度的碳化硅陶瓷常压液相烧结法。
本发明的目的按下述方案实现：
一种高韧性、高硬度的碳化硅陶瓷常压液相烧结法，其特征在于采用稀土氧化物和氮化铝为助烧结剂。
碳化硅与上述稀土氧化物和氮化铝助烧结剂的混合重量百分比分别为60-98％和40-2％或更宽范围；
上述稀土氧化物是镧系稀土氧化物或混合稀土氧化物；
上述稀土氧化物是镧系从La₂O₃到Lu₂O₃ 15个稀土氧化物中任一个稀土氧化物；
上述稀土氧化物是镧系从La₂O₃到Lu₂O₃ 15个稀土氧化物中任二个以上稀土氧化物；
上述稀土氧化物是Y₂O₃和从La₂O₃到Lu₂O₃ 15个稀土氧化物中任一个稀土氧化物；
上述稀土氧化物是氧化钇(Y₂O₃)。
本发明可在较低温度下烧结获得高性能地SiC陶瓷，其压痕硬度可达到20GPa以上，韧性可达到6-8MPa.m^1/2，烧结温度降到1800-1900℃。
具体实施方式
本发明是在常压氩或氮气氛下液相烧结SiC陶瓷。
(1)原料：SiC采用β-SiC和α-SiC，单独一种或两种的混合粉料，助烧结剂为纯度99.5％以上的AlN(北京钢铁研究总院产品)和稀土氧化物(包头稀土材料研究院产品)，SiC与助烧结剂的比例(重量％)为AlN：60-98％，Re₂O₃：40-2％。
(2)原料混合：上述混合料在无水酒精中用Si₃N₄或SiC小球作研磨介质，混磨后，滤去介质小球，泥浆烘干，过筛后为混合粉料。
(3)成型：用干压或冷静压(2-3T/cm²)成型。
(4)烧结：成型后的粉坯置于铺垫有氮化硼(BN)粉的石墨钳锅内，在通有一个大气压氩或氮的石墨管式炉中，温度升至1800℃左右或更高，烧结2-3小时或更长，烧结制度可根据微观结构的需要进行调节。
(5)热压烧结：混合粉料直接放入石墨压模中，在热压炉中一个大气压氩或氮气氛下1800-1900℃温度热压1-3小时。
烧结后可选择退火处理或直接冷却即得到SiC陶瓷。
参考文献：
[1]Prochazka，S.，“The role of boron and carbon in the sintering of siliconcarbide”In“Special Ceramics”(Vol.6)，ed.P.Popper.Br.Ceram.Res.Assoc.，Stoke on Trent，1975，pp.171-181
[2]Omori，M.and Takei，H.，“Pressureless sintering of SiC”，J.Am.Ceram.Soc.，1982，65，C-92
[3]Zhen-Kun Huang，Anatoly Rosenflanz，and I-Wei Chen“PressurelessSintering of Si₃N₄ Ceramics Using AlN and Rare-Earth Oxides”，J.Am.Ceram.Soc.，80(5)1256-1262(1997)
[4]You Zhou，Kiyoshi Hirao，Yukihiko Yamauchi，Shuzo Kanzaki“Tailoringthe mechanical properties of silicon carbide ceramics by modification of theintergranular phase chemistry and microstructure”J.Euro.Ceram.Soc.，22(2002)2689-2696
[5]Georg Rixecker，Koushik Biswas，Arno Rosinus，Siddharth Sharma，IngoWiedmann，Fritz Aldinger“Fracture properties of SiC ceramics withoxynitride additives”J.Euro.Ceram.Soc.22(2002)2669-2675