一种Si₃N₄-TiZrN₂-TiN复合导电陶瓷的液相烧结法

一种Si₃N₄-TiZrN₂-TiN复合导电陶瓷的液相烧结法
【专利摘要】一种Si3N4?TiZrN2?TiN复合导电陶瓷，合成该复合导电陶瓷的原料包括：Si3N4、ZrN、TiN、Y2O3、La2O3、AlN；该复合导电陶瓷的最终产物里包括Si3N4相、TiN相和金属氮化物的固溶体TiZrN2相。其中，AlN的加入避免了常规方式中加入Al2O3所引起的挥发，并且加入AlN会使最终产品的表面比加入Al2O3光滑；本发明名还给出一种Si3N4?TiZrN2?TiN复合导电陶瓷的液相烧结法。本发明有益效果如下：1.电阻率低；本发明的复合导电陶瓷用SX1944四探针测试仪测试样品电阻为10?2Ω·cm量级，远远低于同类产品。2.机械强度高；本发明的复合导电陶瓷用载荷为10kg，加压时间为5s的条件测量样品的维氏硬度为14.7GPa；利用硬度压痕四角处扩展的裂纹长度计算样品的断裂韧性为7.8MPa.m0.5保持了氮化硅陶瓷原有的强度和硬度。
【专利说明】
一种S i 3N4-T i ZrN2-T i N复合导电陶瓷的液相烧结法
技术领域
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[0001]本发明涉及导电陶瓷技术领域，具体地说，涉及一种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷的液相烧结法。
【背景技术】
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[0002]氮化硅(Si3N4)是一种性能很好的结构陶瓷材料，具有质量轻、高强度、高硬度、高耐腐蚀性等，可应用于各行各业。制备氮化硅陶瓷材料的方法很多，有热压、常压、反应等烧结方法，其中常压烧结方法简单易行，耗能少。由于氮化硅是共价键化合物，自扩散系数低，本身很难直接烧结成瓷，因此往往加入一些氧化物等作为烧结助剂进行烧结。常用的有Al2O3、Y2O3、Mg02等。这些添加物在烧结过程中形成液相促使氮化硅陶瓷烧结致密，以达到材料高强度、高硬度的要求。
[0003]由于Si3N4陶瓷本身高强度和高硬度的性能使得后期加工困难，常以金刚石刀具进行切割，但传统的金刚石加工的方法加工效率低且成本昂贵。成本低、效率高的放电(电火花)加工技术已成功用于金属制品加工，若能用于加工Si3N4陶瓷则会大大提高加工效率和降低加工成本，但能用放电加工的材料必须具有一定的导电性，其电阻率要求低达1t3Q.cm量级及以下，但Si3N4陶瓷属于绝缘体，其电阻率约为115 Ω.cm量级，是不可能用放电方法进行加工的。所以人们想到了用另外一种导电性很好的材料加入Si3N4中制备成Si3N4基复合导电性材料，使其电阻率下降到能用于电火花加工的程度。在CN1272283C的专利里使用了金属Ti和Ta，从而使最终烧结的复合氮化硅电阻率降到1t3Q.cm量级，刚刚达到放电加工的要求，并且其硬度和断裂韧性较未加导电助剂的氮化硅陶瓷差。

【发明内容】

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[0004]本发明旨在解决上述问题，提供一种电阻率低、硬度和断裂韧性优良的一种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷；同时还提供一种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷的液相烧结法。
[0005]—种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷，合成该复合导电陶瓷的原料包括:Si3N4、ZrN、TiN、Y203、La203、AlN;该复合导电陶瓷的的最终产物里包括Si3N4相、TiN相和金属氮化物的固溶体TiZrN2相。其中，AlN的加入可避免常规方式中加入Al2O3所引起的低温挥发，并且加入AlN会使最终产品的表面比加入Al2O3光滑。
[0006]由于是采用烧结工艺来制作的复合导电陶瓷材料，各材料烧结过程中的热膨胀系数是至关重要的的，如果热膨胀系数相差大，则不利于烧结，会影响最终成品的密度、硬度和断裂韧性，故所选择的导电助剂的除了要电阻率低，还要热膨胀系数要与氮化硅相差不大。另外，如果还兼有其它好的机械性能则更为理想。氮化钛和氮化锆都有高电导率，两者的电阻率都在 10—4Ω.cm量级，ZrN比TiN更低(TiN:2.07X10—4Ω.cm;ZrN:1.4Χ 10—4Ω.cm)；热膨胀系数和氮化硅在一个数量级，均为约KT6IT1，且ZrN更接近氮化硅(Si3N4:3.64 XΙΟ-Ι-1;ZrN: 7.3 X KT6IT1;TiN: 9.35 X KT6IT1)；另外TiN、ZrN本身都的硬度都比氮化硅高很多，其中，ZrN的硬度比TiN碳化钛更高，ZrN作为添加剂有增强韧性的作用。
[0007]优选的，Si3N4:TiN: Y2O3: La2O3: AlN= (9?11): (5.4?6.6): (0.8?1.2): (0.8?1.2):(1.3?1.66)，2洲的加入量为8?15￥戈％。
[0008]一种S i 3N4-T i ZrN2-T iN复合导电陶瓷的液相烧结法，包括以下步骤:
[0009](1)配料混合:将513?、1^1丫203、1^203、八1~以(9?11):(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2): (1.3?1.66)的比例混合，ZrN的加入量为8?15w.t %，之后在研钵中加入酒精研磨I?3h后干燥;其中，Si3N4的α相含量高于70%，纯度高于97%，粒度为0.6?0.8μπι，TiN粒度为18?22nm，ZrN粒度为16?21nm;
[0010](2)成型及烧结:将干燥后的混合料用模具干压成型再经冷等静压后放入烧结炉中在N2保护气氛中进行烧结，烧结温度为1760±25°C，保温时间根据样品的大小可设为I?3h。
[0011]本发明有益效果如下:
[0012]1.电阻率低;本发明的复合导电陶瓷用SX1944四探针测试仪测试样品电阻为10—2Ω.cm量级，远低于同类产品。
[0013]2.机械强度高;本发明的复合导电陶瓷用载荷为10kg，加压时间为5s的条件测量样品的维氏硬度为14.7GPa;利用硬度压痕四角处扩展的裂纹长度计算样品的断裂韧性为7.SMPa.n/3.5，达到了氮化硅陶瓷原有的高硬度和高断裂韧性。
【具体实施方式】
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[0014]一种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷，合成该复合导电陶瓷的原料包括:Si3N4、ZrN、TiN、Y203、La203、AlN;该复合导电陶瓷的的最终产物里包括Si3N4相、TiN相和金属氮化物的固溶体Ti ZrN2相。
[0015]在本实施方式中，513他:!1化￥203:1^203:厶^=(9?11):(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2):(1.3?1.66)，2洲的加入量为8?15界.七％。
[0016]一种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷的液相烧结法，Si3N4选用α相含量高于70%粉料，纯度高于97%，平均粒度0.7μπι; Y2O3、La2O3和AlN为市售，化学纯;TiN购自合肥凯尔纳米能源科技股份有限公司，纯度为99.2%，平均粒度为20nm;ZrN购自锦州金鑫股份有限公司；将各成分按(9?11):():(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2):(1.3?1.66)的比例称量配料，将配好的料加入酒精在玛瑙研钵中混磨2小时或加入酒精和ZrO2球在聚氨酯筒中球磨I小时后置于空气中干燥;再将干燥好的混合料用不锈钢磨具干压成方块后放入烧结炉中在N2保护气氛中进行烧结，烧结温度为1760°C±25°C，保温时间根据样品的大小可设为l_3h。
[0017]利用日本理学D/MAX-RB型X射线衍射仪对烧结进行样品的物相分析，证实样品内含有金属氮化物的固溶体TiZrN2。
【主权项】
1.一种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷，其特征在于:合成该复合导电陶瓷的原料包括:Si3N4、ZrN、TiN、Y203、La203、AlN;该复合导电陶瓷的的最终产物里包括Si3N4相、TiN相和金属氮化物的固溶体TiZrfe相。2.如权利要求1所述的一种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷，其特征在于:Si3N4:TiN:Y203:La203:AlN=(9?ll):(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2):(1.3?1.66)，Zrr^]WA量为8?15w.t%。3.一种Si3N4-TiZrN2-TiN复合导电陶瓷的液相烧结法，其特征在于:包括以下步骤: (1)配料混合:将313?、1^1丫203、1^203、八1~以(9?11):(5.4?6.6):(0.8?1.2):(0.8?1.2): (1.3?1.66)的比例混合，ZrN的加入量为8?15w.t%,之后在研钵中加入酒精研磨I?3h后干燥;其中，Si3N4的α相含量高于70%，纯度高于97%，粒度为0.6?0.8μπι，TiN粒度为18?22nm，ZrN粒度为16?21nm; (2)成型及烧结:将干燥后的混合料用模具干压成型再经冷等静压后放入烧结炉中在N2保护气氛中进行烧结，烧结温度为1760 ± 25 °C，保温时间为I?3h。
【文档编号】C04B35/587GK105884375SQ201610178439
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】江涌, 吴澜尔, 黄新华
【申请人】北方民族大学