一种制备Sialon陶瓷的方法 【技术领域】。 [0002] Sialon陶瓷是Si_Al-〇-N和相关体系中氣化娃固溶体的总称，是一种宽范围的固 溶体材料，通过调整固溶体的组分比例，按预定的性能进行成分设计而满足各种使用要求， 形成了一个材料体系。Sialon陶瓷具有优良的耐腐蚀性、耐热冲击性、高温强度、电绝缘强 度、化学稳定性等性能，是一种优异的高性能陶瓷材料，在耐高温、耐腐蚀、机械制造、航空 航天等高【技术领域】得到了广泛的应用。 [0003] Sialon陶瓷可采用干压、等静压、注浆、注凝等多种工艺方法成型。其中，干压和等 静压成型工艺简便，但只能成型厚度小、形状简单的制品，难以应用于大尺寸或较复杂形状 制品的成型；注浆成型可制备复杂形状的Sialon陶瓷制品，但其往往需要一周甚至更长的 成型、干燥时间，对环境温度和湿度的要求也较为苛刻，且坯体强度低，烧结过程中形变显 著；注凝成型是在注浆工艺中引入适量的有机凝胶发展而来的，可制备大尺寸、复杂形状的 Sialon陶瓷制品，坯体强度很高，但烧结前需要较长时间的排胶，有机物的裂解和排出过程 容易引入杂质以及气孔、微裂纹等缺陷，同时工艺过程中所使用的有机单体对人体有害。上 述成型工艺的不足影响了 Sialon陶瓷性能的稳定性，在制备大尺寸、复杂形状Sialon陶瓷 方面工艺重复性差，成品率低，限制了 Sialon陶瓷制品的进一步推广应用。 [0004] 专利"一种多孔β -SiAlON陶瓷的制备方法（专利申请号：201210341253. 6) "提 到了一种低温冷冻、真空干燥的成型工艺（简称为冷冻干燥成型工艺），利用有机添加剂在 低温下凝固的性质实现浆料的固化，浆料在低温冷冻后成为固态，升温到介质熔点以上后 凝固的有机添加剂会融化，使固化的浆料重新获得流动性或触变性，因此，干燥过程必须及 时在负压或真空条件下进行，需要使用专门的干燥设备，并且需要控制温度（-i°c?rc) 使崁烯能够挥发，同时又不能融化和再结晶。


[0005] 本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种无有机添加剂、无需特殊成型 设备、常温常压干燥状态下制备各种尺寸和形状的Sialon陶瓷材料的方法，实现了近净成 型，降低了 Sialon陶瓷的研制和生产成本。
[0006] 本发明的技术解决方案：一种制备Sialon陶瓷的方法，包括以下步骤：
[0007] 第一步，制备陶瓷浆料，
[0008] 将陶瓷粉体加入二氧化硅溶胶中，球磨均匀得到陶瓷浆料；
[0009] 陶瓷粉体包括氮化铝粉体和烧结助剂；烧结助剂可选用氧化钇或/和氧化镱。烧 结助剂的添加量为本领域公知技术，一般为原料（去除二氧化硅溶胶中水分）中的质量分 数为1?15%，具体可根据工程实际进行选择。
[0010] 陶瓷浆料中氮元素、硅元素和铝元素比例满足mol (Si) : mol (Al) : mol (N)= (6-x) : x : (8-x)，xe [1.7,4]，二氧化硅溶胶的固相体积含量一般为10?25%，在满 足上式比例范围的情况下，可以根据选取的二氧化硅溶胶和氮化铝粉体的量，在陶瓷粉体 中加入氮化硅粉体和/或二氧化硅粉体。
[0011] 氮化硅粉体粒径为0.40?1.00微米，纯度为99. 9%，其中α相含量不小于93%; 氮化铝粉体粒径为0. 50?6. 00微米，纯度为98. 5 % ;二氧化硅粉体粒径为0. 50?20. 00 微米，纯度为98%。
[0012] 球磨时间一般为10?60分钟，以陶瓷粉体在二氧化硅溶胶中分散均匀为准。制 备得到的陶瓷浆料中的固相体积分数为35?70%。
[0013] 第二步，陶瓷浆料脱气后注模后，进行低温冷冻；
[0014] 陶瓷浆料脱气5?15分钟后再注入模具，具体时间选择为本领域公知技术，在实 际中可自行选择。在液氮中静置5?60分钟，使浆料完全冷冻为固体，具体时间应根据制 品大小，通过试验来确定。
[0015] 本发明不需要添加任何有机物，利用的是硅溶胶在低温下冷冻可凝胶固化的性 质，而且硅溶胶本身就是目标产物的一种原材料。硅溶胶的冷冻凝胶过程是不可逆的，一旦 冷冻，坯体就已经成型，升温后不会融化，不会融化和变形，干燥时只要具备水分挥发的条 件即可，其干燥过程在常压下完成，不需要真空条件，也不需要严格控制干燥温度。低温冷 冻温度为< -40°C，一般可采用液氮或其他冷冻形式。
[0016] 本发明原理：本发明利用冷冻凝胶将陶瓷浆料低温冷冻后凝胶固化，其冷冻固化 时间仅需几分钟到几十分钟，再次升温到冰点以上后所得陶瓷坯体仍将保持冷冻时的形状 和尺寸，不会融化，因此，其干燥过程简单，没有真空或压力条件的限制，不需要冷冻干燥机 等设备，本发明具有显著的技术和成本优势。
[0017] 第三步，脱模，得到陶瓷生坯；
[0018] 液氮中冷冻5?60分钟后，在室温下静置，当模具恢复到0°C以上后脱模，得到陶 瓷湿坯。操作过程中应保持模具平稳，避免强烈振动，避免液氮与浆料直接接触。
[0019] 第四步，陶瓷生坯在常压下干燥；
[0020] 根据上述描述，本发明陶瓷生坯可在常压下干燥，干燥温度没有严格的限制，可以 在常温下干燥，也可以根据需要在1?l〇〇°C中任选温度，干燥时间为2?48小时，根据干 燥温度和陶瓷生坯的干燥程度进行选择。干燥过程中可通过升温加快干燥速率，升温速率 不应超过2°C /分钟，最高温度不易超过100°C。
[0021] 第五步，烧结后得到Sialon陶瓷材料。
[0022] 将坯体放入烧结炉中进行烧结，然后随炉冷却，得到Sialon陶瓷材料。坯体的烧 结方式为无压烧结、气氛压力烧结或热压烧结，烧结气氛为氮气。
[0023] 本发明与现有技术相比的有益效果：
[0024] (1)本发明通过在硅溶胶上使用冷冻凝胶技术，利用硅溶胶（本身就是目标产物 的一种原材料）在低温下冷冻可凝胶固化的性质，不需要添加任何有机物，且硅溶胶的冷 冻凝胶过程是不可逆的，一旦冷冻，坯体就已经成型，升温后不会融化，不会融化和变形，干 燥时只要具备水分挥发的条件即可，因此其干燥过程在常压下完成，不需要真空条件，也不 需要严格控制干燥温度；
[0025] (2)本发明采用冷冻凝胶工艺制备Sialon陶瓷材料及其制品，工艺简单、周期短， 成本低，操作方便；
[0026] (3)本发明可实现近净成型，降低了 Sialon陶瓷的研制和生产成本；
[0027] (4)本发明成型的坯体强度高，均匀性好，可用于制备大尺寸、复杂形状的Sialon 陶瓷制品；
[0028] (5)本发明的工艺过程中不需要添加任何有机物质，不需要排胶，不会对环境造成 污染；
[0029] (6)本发明可按照预定的性能进行成分设计，通过调整陶瓷浆料中各原料的比例 制备出满足不同使用要求的Sialon陶瓷材料及其制品；
[0030] (7)本发明对于相关结构、功能陶瓷材料的成型工艺研究均有借鉴意义。
[0031] 说明书附图
[0032] 图1为本发明流程原理图。


[0033] 本发明如图1所示，通过以下步骤实现：
[0034] 将所需氮化硅、氮化铝、氧化钇、二氧化硅等陶瓷粉体和二氧化硅溶胶球磨混合， 浆料经脱气处理后注入模具，转移至液氮中冷冻凝胶，脱模所得湿坯在常压下干燥，最后在 烧结炉中高温烧结，即得到Sialon陶瓷材料，整套工艺简单，周期短，成本低，重复性好，材 料性能稳定。
[0035] 实施例1
[0036] 称取88. 96克氮化硅粉体，α相含量为93%，粒径为0.40?0.60微米；称取 81. 98克氮化铝粉体，粒径为0. 50?6. 00微米，纯度为98. 5 %;称取20克二氧化硅粉体，粒 径为15微米，纯度为98% ;称取11克氧化钇粉体，粒径为0. 6?0. 8微米，纯度为99. 5% ; 量取80毫升二氧化硅溶胶，其固相含量为23% ;将上述粉体和溶胶混合，球磨30分钟，所 得浆料在-〇. IMPa下搅拌5分钟后注入模具，将模具转移到液氮容器中，缓慢充入液氮，静 置10分钟，将模具取出，在室温下静置，当模具恢复到〇°C以上后脱模，所得湿坯在室温下 干燥48小时，放入高温气氛烧结炉，在氮气气氛下，1780°C烧结2小时，随炉冷却到室温，即 得到Sialon陶瓷材料。
[0037] 对本实施例制备得到的Sialon陶瓷材料，参照标准GB/T6569-2006测试弯曲强度 和弹性模量，参照标准ASTM D2520-95测试介电常数和损耗角正切值，采用X射线光电子能 谱仪分析试样新鲜断口的元素组成，具体数据见表1。
[0038] 实施例2
[0039] 称取131. 17克氮化铝粉体，粒径为0. 50?6. 00微米，纯度为98. 5 %;称取6克氧 化钇粉体，粒径为〇. 6?0. 8微米，纯度为99. 5 %;量取175毫升二氧化硅溶胶，其固相含量 为23% ;将上述粉体和溶胶混合，球磨30分钟，所得浆料在-0. IMPa下搅拌5分钟后注入 模具，将模具转移到液氮容器中，缓慢充入液氮，静置10分钟，将模具取出，在室温下静置， 当模具恢复到〇°C以上后脱模，所得湿坯在室温下干燥48小时，放入高温气氛烧结炉，在氮 气气氛下，1780°C烧结2小时，随炉冷却到室温，即得到Sialon陶瓷材料。
[0040] 本实施例制备得到的Sialon陶瓷材料经实施例1中所述的各项性能检测，具体数 据见表1。
[0041] 实施例3
[0042] 称取204. 6克氮化硅粉体，α相含量为93%，粒径为0.40?0.60微米；称取 83. 62克氮化铝粉体，粒径为0. 50?6. 00微米，纯度为98. 5 %;称取23. 5克氧化钇粉体，粒 径为0. 6?0. 8微米，纯度为99. 5% ;量取111. 44毫升二氧化硅溶胶，其固相含量为23% ; 将上述粉体和溶胶混合，球磨30分钟，所得浆料在-0. IMPa下搅拌5分钟后注入模具，将 模具转移到液氮容器中，缓慢充入液氮，静置10分钟，将模具取出，在室温下静置，当模具 恢复到0°C以上后脱模，所得湿坯在室温下干燥48小时，放入高温气氛烧结炉，在氮气气氛 下，1780°C烧结2小时，随炉冷却到室温，即得到Sialon陶瓷材料。
[0043] 本实施例制备得到的Sialon陶瓷材料经实施例1中所述的各项性能检测，具体数 据见表1。
[0044] 表 1
[0045]