氮化硅基陶瓷体、氮化硅基陶瓷表面原位自生成氮化锆涂层的方法与流程

1.本发明涉及无机非金属材料制备技术领域，尤其涉及一种氮化硅基陶瓷体、及氮化硅基陶瓷表面原位自生成氮化锆涂层的方法。


背景技术：

2.金属陶瓷发热体主要以氧化铝流延坯体和氧化铝棒芯为基体，并在基体上丝网印刷电路来制备。由于氧化铝热导率低，对发热体的发热效率有巨大影响。氮化硅（si3n4）陶瓷体具有良好的常温和高温机械性能、抗热震性能、抗氧化性能、耐磨性能、耐腐蚀性能和导热性能，在高温、高速、强腐蚀介质的工作环境中具有特殊的使用价值，被认为是最具发展潜力的高温结构陶瓷。近年来，国内外竞相对其进行研究和开发，使其在陶瓷发热体的应用范围不断扩大。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于，提供工艺简单、成本低，更加有利于实际生产应用的氮化硅基陶瓷体、及氮化硅基陶瓷表面原位自生成氮化锆涂层的方法。
4.为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。
5.本发明公开了一种氮化硅基陶瓷表面原位自生成氮化锆涂层的方法，其包括以下步骤：（1）配比原料，包括：氮化硅60
‑
85wt%、二氧化锆5
‑
30wt%、以及助烧剂5
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20wt%；（2）将步骤（1）中配好的原料进行混合均匀；（3）将步骤（2）中得到的混合物进行造粒；（4）将步骤（3）中得到的造粒材料进行压制成型；以及（5）将步骤（4）中得到的成型材料放在石墨瓷舟中进行烧结，所述烧结过程在惰性气氛环境下进行。
6.进一步地，所述助烧剂选氧化镁和氟化锂中的一种或两种。
7.步骤（2）中的所述混合是在球磨机中进行球磨；所述球磨的条件参数设为：球磨转速为300
‑
600r/min、球磨时间为3
‑
12h、球磨介质为乙醇。
8.步骤（3）中的所述造粒是以聚乙烯醇作为粘接剂对所述混合物进行造粒，造粒后陈腐24h。
9.步骤（4）中的所述成型的条件参数包括：成型压力为50
‑
200mpa，并且保持所述成型压力10
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60s。
10.所述惰性气氛为氮气气氛。
11.所述烧结的条件参数为：将烧结温度从室温逐渐升高至1500
‑
1700℃的目标烧结温度，升温速率为1
‑
10℃/min，在达到所述目标烧结温度时，保持所述目标烧结温度1
‑
5h。
12.所述烧结的条件参数为：将烧结温度从室温逐渐升高至1600
‑
1650℃的目标烧结
温度，升温速率为2
‑
8℃/min，在达到所述目标烧结温度时，保持所述目标烧结温度2
‑
5h。
13.所述烧结的条件参数包括：将烧结温度从室温逐渐升高至1600
‑
1620℃的目标烧结温度，升温速率为4
‑
6℃/min，在达到所述目标烧结温度时，保持所述目标烧结温度3
‑
4h。
14.本发明还公开了一种氮化硅基陶瓷体，其表面具有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅60
‑
85wt%，二氧化锆5
‑
30wt%，助烧剂5
‑
20wt%。
15.与现有技术相比，其有益效果是：由于氮化锆（zr
‑
n）具有良好的导电、耐高温、耐腐蚀以及耐磨的特性，通过在氮化硅基陶瓷基体表面原位自生成氮化锆涂层，从而一步制得金属陶瓷发热体，可以极大的简化生产工艺和缩短生产周期。所以上述技术方案可以解决金属陶瓷发热体制备工艺复杂和生产周期长的实际问题，从而降低生产成本更加有利于实际生产。
16.另外，在氮化硅基陶瓷基体表面原位自生成的氮化锆层与基体以化学键相结合，因此这种结合体强度高，不易脱离。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
18.图1是本发明实施例中氮化硅基陶瓷表面原位自生成氮化锆涂层的方法的流程示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。
20.此外，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
21.其为本发明优选实施方案提供的一种氮化硅基陶瓷表面原位自生成氮化锆涂层的方法的流程示意图。该优选实施方案公开了：实施例1一种氮化硅基陶瓷体，表面原位自生成有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅80wt%，二氧化锆10wt%，助烧剂10wt%。助烧剂选用氧化镁（mgo）或氟化锂（lif）。
22.制备方法如图1所示：步骤（1）提取原料：称取氮化硅粉末24.0g、二氧化锆粉末3.0g、助烧剂3.0g。助烧
剂选氧化镁（mgo）粉末，用于降低陶瓷烧成温度。
23.步骤（2）球磨：采用xgb2型行星式球磨机对配好的原料进行混合均化。其中，球磨转速为500r/min，球磨时间为3h；并采用乙醇为球磨介质。其中球磨子：原料：乙醇的质量比为4：2：1。
24.步骤（3）造粒陈腐：以浓度为5 wt %的pva（聚乙烯醇）作为粘接剂，对混合均匀的原料粉体进行造粒，然后陈腐24h。
25.步骤（4）成型：造粒后的材料经压制成型（成型压力为120mpa，保持压力30s）而得到陶瓷生坯，以待烧结。
26.步骤（5）常压烧结：先将步骤（4）中得到的陶瓷生坯放置于石墨瓷舟中，再将石墨瓷舟放入管式炉中烧结。烧结过程在管式炉中进行，烧结气氛为氮气，目标烧结温度为1600℃，升温速率为6℃/min，达到目标烧结温度后保持目标烧结温度4h。
27.经以上步骤制得的氮化硅基陶瓷体样品，经测试，所制得样品表面生成一层黄色、均匀光亮的涂层，xrd测试（x射线照射到物体上产生衍射）表明该涂层为氮化锆，样品的电阻为0.82ω。
28.实施例2一种氮化硅基陶瓷体，表面原位自生成有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅75wt%，二氧化锆15wt%，助烧剂10wt%。助烧剂选用氧化镁（mgo）或氟化锂（lif），用于降低陶瓷烧成温度。
29.制备方法：1）提取原料：称取氮化硅粉末22.5g、二氧化锆粉末4.5g、助烧剂3.0g，助烧剂选用氟化锂（lif）。
30.步骤（2）球磨：采用xgb2型行星式球磨机对配好的原料进行混合均化。其中，球磨转速为500r/min，球磨时间为3h；并采用乙醇为球磨介质。其中球磨子：原料：乙醇的质量比为4：2：1。
31.步骤（3）造粒陈腐：以浓度为5 wt %的pva（聚乙烯醇）作为粘接剂，对混合均匀的原料粉体进行造粒，然后陈腐24h。
32.步骤（4）成型：造粒后的材料经压制成型（成型压力为200mpa，保持压力10s）而得到陶瓷生坯，以待烧结。
33.步骤（5）常压烧结：将步骤（4）中得到的陶瓷生坯放置于石墨瓷舟中，再将石墨瓷舟放入管式炉中烧结。烧结过程在管式炉中进行，烧结气氛为氮气，目标烧结温度为1600℃，升温速率为2℃/min，达到目标烧结温度后保持目标烧结温度2h。
34.经以上步骤制得的氮化硅基陶瓷体样品，经测试，所制得样品表面生成一层黄色、均匀光亮的涂层，xrd测试表明该涂层为氮化锆，样品的电阻为0.74ω。
35.实施例3一种氮化硅基陶瓷体，表面原位自生成有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅70wt%，二氧化锆15wt%，助烧剂15wt%。助烧剂选用氧化镁和氟化锂的混合物，用于降低陶瓷烧成温度。
36.制备方法：步骤（1）提取原料：称取氮化硅粉末21g、二氧化锆粉末4.5g、助烧剂4.5g。助烧剂
选用氧化镁和氟化锂的混合物。
37.步骤（2）球磨：采用xgb2型行星式球磨机对配好的原料进行混合均化。其中，球磨转速为500r/min，球磨时间为4h；并采用乙醇为球磨介质。其中球磨子：原料：乙醇的质量比为4：2：1。
38.步骤（3）造粒陈腐：以浓度为5 wt %的pva（聚乙烯醇）作为粘接剂，对混合均匀的原料粉体进行造粒，然后陈腐24h。
39.步骤（4）成型：造粒后的材料经压制成型（成型压力为150mpa，保持压力25s）而得到陶瓷生坯，以待烧结。
40.步骤（5）常压烧结：将步骤（4）中得到的陶瓷生坯放置于石墨瓷舟中，再将石墨瓷舟放入管式炉中烧结。烧结过程在管式炉中进行，烧结气氛为氮气，目标烧结温度为1650℃，升温速率为8℃/min，达到目标烧结温度后保持目标烧结温度5h。
41.经以上步骤制得的氮化硅基陶瓷体样品，经测试，所制得样品表面生成一层黄色、均匀光亮的涂层，xrd测试表明该涂层为氮化锆，样品的电阻为0.86ω。
42.实施例4一种氮化硅基陶瓷体，表面原位自生成有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅65wt%，二氧化锆20wt%，助烧剂15wt%。助烧剂选用氧化镁粉末，用于降低陶瓷烧成温度。
43.制备方法：步骤（1）提取原料：称取氮化硅粉末19.5g、二氧化锆粉末6.0g、助烧剂4.5g。助烧剂选用氧化镁粉末。
44.步骤（2）球磨：采用xgb2型行星式球磨机对配好的原料进行混合均化。其中，球磨转速为300r/min，球磨时间为12h；并采用乙醇为球磨介质。其中球磨子：原料：乙醇的质量比为4：2：1。
45.步骤（3）造粒陈腐：以浓度为5wt%的pva（聚乙烯醇）作为粘接剂，对混合均匀的原料粉体进行造粒，然后陈腐24h。
46.步骤（4）成型：造粒后的材料经压制成型（成型压力为100mpa，保持压力40s）而得到陶瓷生坯。
47.步骤（5）常压烧结：将步骤（4）中得到的陶瓷生坯放置于石墨瓷舟中，再将石墨瓷舟放入管式炉中烧结。烧结过程在管式炉中进行，烧结气氛为氮气，目标烧结温度为1650℃，升温速率为1℃/min，达到目标烧结温度后保持目标烧结温度1h。
48.经以上步骤制得的氮化硅基陶瓷体样品，经测试，所制得样品表面生成一层黄色、均匀光亮的涂层，xrd测试表明该涂层为氮化锆，样品的电阻为0.80ω。
49.实施例5一种氮化硅基陶瓷体，表面原位自生成有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅60wt%，二氧化锆20wt%，助烧剂20wt%。助烧剂选用氟化锂。
50.制备方法：步骤（1）提取原料：称取氮化硅粉末18.0g、二氧化锆粉末6g、助烧剂6g。助烧剂选用氟化锂。
51.步骤（2）球磨：采用xgb2型行星式球磨机对配好的原料进行混合均化。其中，球磨
转速为400r/min，球磨时间为6h；并采用乙醇为球磨介质。其中球磨子：原料：乙醇的质量比为4：2：1。
52.步骤（3）造粒陈腐：以浓度为5wt%的pva（聚乙烯醇）作为粘接剂，对混合均匀的原料粉体进行造粒，然后陈腐24h。
53.步骤（4）成型：造粒后的材料经压制成型（成型压力为50mpa，保持压力60s）而得到陶瓷生坯。
54.步骤（5）常压烧结：将步骤（4）中得到的陶瓷生坯放置于石墨瓷舟中，再将石墨瓷舟放入管式炉中烧结。烧结过程在管式炉中进行，烧结气氛为氮气，目标烧结温度为1620℃，升温速率为4℃/min，达到目标烧结温度后保持目标烧结温度3h。
55.经以上步骤制得的氮化硅基陶瓷体样品，经测试，所制得样品表面生成一层黄色、均匀光亮的涂层，xrd测试表明该涂层为氮化锆，样品的电阻为0.82ω。
56.实施例6一种氮化硅基陶瓷体，表面原位自生成有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅85wt%，二氧化锆10wt%，助烧剂5wt%。助烧剂选用氧化镁。
57.制备方法：步骤（1）提取原料：称取氮化硅粉末25.5g、二氧化锆粉末3g、助烧剂1.5g。助烧剂选用氧化镁。
58.步骤（2）球磨：采用xgb2型行星式球磨机对配好的原料进行混合均化。其中，球磨转速为500r/min，球磨时间为3h；并采用乙醇为球磨介质。其中球磨子：原料：乙醇的质量比为4：2：1。
59.步骤（3）造粒陈腐：以浓度为5wt%的pva（聚乙烯醇）作为粘接剂，对混合均匀的原料粉体进行造粒，然后陈腐24h。
60.步骤（4）成型：造粒后的材料经压制成型（成型压力为120mpa，保持压力30s）而得到陶瓷生坯，以待烧结。
61.步骤（5）常压烧结：将步骤（4）中得到的陶瓷生坯放置于石墨瓷舟中，再将石墨瓷舟放入管式炉中烧结。烧结过程在管式炉中进行，烧结气氛为氮气，目标烧结温度为1700℃，升温速率为5℃/min，达到目标烧结温度后保持目标烧结温度3h。
62.经以上步骤制得的氮化硅基陶瓷体样品，经测试，所制得样品表面生成一层黄色、均匀光亮的涂层，xrd测试表明该涂层为氮化锆，样品的电阻为0.78ω。
63.实施例7一种氮化硅基陶瓷体，表面原位自生成有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅65wt%，二氧化锆30wt%，助烧剂5wt%。助烧剂选用氧化镁。
64.制备方法：步骤（1）提取原料：称取氮化硅粉末19.5g、二氧化锆粉末9g、助烧剂1.5g。助烧剂选用氧化镁。
65.步骤（2）球磨：采用xgb2型行星式球磨机对配好的原料进行混合均化。其中，球磨转速为500r/min，球磨时间为3h；并采用乙醇为球磨介质。其中球磨子：原料：乙醇的质量比为4：2：1。
66.步骤（3）造粒陈腐：以浓度为5wt%的pva（聚乙烯醇）作为粘接剂，对混合均匀的原
料粉体进行造粒，然后陈腐24h。
67.步骤（4）成型：造粒后的材料经压制成型（成型压力为120mpa，保持压力30s）而得到陶瓷生坯，以待烧结。
68.步骤（5）常压烧结：先将步骤（4）中得到的陶瓷生坯放置于石墨瓷舟中，再将石墨瓷舟放入管式炉中烧结。烧结过程在管式炉中进行，烧结气氛为氮气，目标烧结温度为1500℃，升温速率为10℃/min，达到目标烧结温度后保持目标烧结温度5h。
69.经以上步骤制得的氮化硅基陶瓷体样品，经测试，所制得样品表面生成一层黄色、均匀光亮的涂层，xrd测试表明该涂层为氮化锆，样品的电阻为0.80ω。
70.实施例8一种氮化硅基陶瓷体，表面原位自生成有氮化锆涂层；按重量百分比主要由以下组分组成：氮化硅75wt%，二氧化锆5wt%，助烧剂20wt%。助烧剂选用氧化镁。
71.制备方法：步骤（1）提取原料：称取氮化硅粉末22.5g、二氧化锆粉末1.5g、助烧剂6.0g。助烧剂选用氧化镁。
72.步骤（2）球磨：采用xgb2型行星式球磨机对配好的原料进行混合均化，球磨转速为600r/min，球磨时间为3h；并采用乙醇为球磨介质。其中，球磨子：原料：乙醇的质量比为4：2：1。
73.步骤（3）造粒陈腐：以浓度为5wt%的pva（聚乙烯醇）作为粘接剂，对混合均匀的原料粉体进行造粒，然后陈腐24h。
74.步骤（4）成型：造粒后的材料经压制成型（成型压力为120mpa，保持压力30s）而得到陶瓷生坯，以待烧结。
75.步骤（5）常压烧结：先将步骤（4）中得到的陶瓷生坯放置于石墨瓷舟中，再将石墨瓷舟放入管式炉中烧结。烧结过程在管式炉中进行，烧结气氛为氮气，目标烧结温度为1550℃，升温速率为4℃/min，达到目标烧结温度后保持目标烧结温度2h。
76.经以上步骤制得的氮化硅基陶瓷体样品，经测试，所制得样品表面生成一层黄色、均匀光亮的涂层，xrd测试表明该涂层为氮化锆，样品的电阻为1.04ω。
77.在以上实施例中，步骤（5）中的烧结气氛也可以由氮气改为氩气。
78.由于氮化锆（zr
‑
n）具有良好的导电、耐高温、耐腐蚀以及耐磨的特性，通过在氮化硅基陶瓷基体表面原位自生成氮化锆涂层，从而一步制得金属陶瓷发热体，可以极大的简化生产工艺和缩短生产周期。所以上述技术方案可以解决金属陶瓷发热体制备工艺复杂和生产周期长的实际问题，从而降低生产成本更加有利于实际生产。另外，在氮化硅基陶瓷基体表面原位自生成的氮化锆层与基体以化学键相结合，因此这种结合体强度高，不易脱离。
79.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
80.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
81.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本
发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。