一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料及其制备方法和应用

1.本发明属于工程陶瓷复合材料技术领域，具体属于一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着社会的发展，科技的进步，全球环境污染、资源与能源短缺问题越来越严重。生物质是一种天然聚合物的清洁可再生资源，并由于其优越的能源来源和碳中和性，在清洁能源的发展中扮演着重要的角色。木质素是从生物质中提取的丰富聚合物，但长期以来一直被作为造纸工业废弃物被丢弃或进行低值化应用。当今，随着人们对环境有着日益密切的关注和可持续发展。未被充分利用的木质素资源激发了不同领域的研究人员的热情，如能源、材料、医学和化学等邻域。
3.氮化硅被认为是最好的陶瓷材料之一，由于其优良的性能，已广泛应用于制造涡轮发动机、隔热器等各种机械和刀具。陶瓷材料的优良力学性能和独特的红硬度使这些材料成为切割难加工材料的首选工具材料。并且，由于氮化硅陶瓷材料具有较高的硬度、弯曲强度和导热性，这使得氮化硅应用在许多的工程领域中。然而，目前可用的氮化硅的相对密度和力学性能还不够高，而且仍然存在一些缺陷。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料及其制备方法和应用，其制备工艺简单，制备周期短，所制备的新型的氮化硅基复合陶瓷材料的各项力学性能都得到了提高。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料，包括质量分数为2-3％的纳米木质素粉体，质量分数为4-5％的氧化钇粉末和质量分数为5-6％的氧化铝粉末，质量分数为87-88％的氮化硅粉末；
7.纳米木质素粉体、氧化钇粉末、氧化铝粉末和氮化硅粉末混合均匀后在1700℃下进行烧结，形成氮化硅基复合陶瓷材料；
8.所述纳米木质素粉体从农林生物质中分离得到，纳米木质素粉体的粒径为30～160nm。
9.优选的，所述纳米木质素粉体通过深度共熔溶剂从杨木中提取得到。
10.一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤，
11.步骤1，对农林生物质进行分级分离处理，得到纳米木质素；
12.步骤2，称取质量分数为2-3％的纳米木质素粉体，质量分数为4-5％的氧化钇粉末和质量分数为5-6％的氧化铝粉末，质量分数为86-88％的氮化硅粉末；混合均匀后干燥得到复合粉料；
13.步骤3，将混合均匀的复合粉料装入模具中预压，并在1700℃下进行烧结，得到氮
化硅基复合陶瓷材料。
14.优选的，步骤1中，将农林生物质与des溶液混合反应后进行分级分离处理，得到纳米木质素；所述des溶液为氯化胆碱和乳酸混合形成。
15.优选的，步骤2中，所述氧化钇粉末和氧化铝粉末的总质量分数为10％。
16.优选的，步骤3中，在进行预压前，将复合粉料采用筛分仪进行筛分，得到粒径均匀的复合粉料。
17.进一步的，步骤2中，所述筛分仪中的筛网目数为80目。
18.优选的，步骤3中，所述模具为石墨模具。
19.一种如上述所述的新型的氮化硅基复合陶瓷材料的应用，其特征在于，所述新型的氮化硅基复合陶瓷材料应用在工程领域。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
21.本发明一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料，采用纳米木质素和氮化硅做为主要原料，纳米木质素是自然界中最丰富的芳香族高分子，其生物基排序仅次于纤维素，含碳量高达60％以上，且木质素含有羟基、甲氧基、羰基等化学基团，具有紫外吸收、抗菌性、抗氧化等特性，多分散系数大、化学官能团含量较少。它在能源、材料、医学和化学等邻域都有着很好的应用，具很大的发展前景。通过从农林生物质中分离得到纳米木质素，节能环保。
22.本发明一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料的制备方法。将纳米木质素粉末与氮化硅粉末混合，经过热压烧结制备得到。其中氮化硅由于其优良的性能，已广泛应用于制造涡轮发动机、隔热器以及各种机械加工刀具中。它由于优良力学性能和独特的红硬度使它成为切割难加工材料的首选工具材料。并且，由于氮化硅陶瓷材料具有较高的硬度、弯曲强度和导热性，这使得氮化硅应用在许多的工程领域中。木质素是一种低价值的可再生产品，具有良好的使用前景，能够对农林生物质进行分级分离处理得到纳米木质素，不仅能缓解能源危机，还能有效地解决污染问题。
23.进一步的，通过在进行预压前对复合粉料进行筛分，得到粒径均匀的原料，保证烧制得到的新型陶瓷复合材料的结构致密。
附图说明
24.图1为一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料的原始粉末sem图。
具体实施方式
25.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
26.实施例1
27.一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
28.步骤1，对农林生物质进行分级分离处理，得到纳米木质素；
29.步骤2，称取2wt.％的纳米木质素，4wt.％的氧化钇粉末和6wt.％的氧化铝粉末，88wt.％的氮化硅粉末；
30.步骤3，将上述粉末与溶剂放入行星式球磨仪中进行湿法球磨，转速设定为150r/min，球磨时间为3h；
31.步骤4，用真空干燥箱干燥步骤3得到的混匀的混合浆料，得到干燥的混合粉末；
32.步骤5，将步骤4得到的混合粉末磨碎，并用筛分仪中80目的筛网进行筛分，得到粒径大小合适的混合粉末；
33.步骤6，将步骤5中得到的混合粉末装入石墨模具中预压，并在氮气氛围的保护下进行烧结，烧结温度至1700℃，压力为30mpa，保温保压时间为60min，热压烧结完成后得到新型的氮化硅基复合陶瓷材料。
34.通过对步骤5的试样进行sem拍摄(附图1)，发现纳米木质素颗与氮化硅颗粒混匀混合。
35.通过对步骤6的试样进行物理力学测试(附表1)，由表1可知，随着纳米木质素的添加，虽然复合材料的密度略有降低，显气孔率略、硬度、断裂韧性、抗弯强度都有所升高，新型的氮化硅基复合陶瓷材料的其硬度可达18.36
±
1.52gpa，抗弯强度可以达到988.98
±
18.77mpa，断裂韧性可以达到9.08
±
0.23mpa
·
m1/2，极大的提升了氮化硅陶瓷在工程邻域中的应用。
36.表1不同氮化硅陶瓷材料的物理力学性能
[0037][0038]
实施例2
[0039]
一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤1，将农林生物质与des溶液混合反应后进行分级分离处理，得到纳米木质素；des溶液为氯化胆碱和乳酸混合形成，农林生物质为杨木；
[0041]
步骤2，称取2.5wt.％的纳米木质素，5wt.％的氧化钇粉末和5wt.％的氧化铝粉末，87.5wt.％的氮化硅粉末；
[0042]
步骤3，将上述粉末与溶剂放入行星式球磨仪中进行湿法球磨，转速设定为150r/min，球磨时间为3h；
[0043]
步骤4，用真空干燥箱干燥步骤3得到的混匀的混合浆料，得到干燥的混合粉末；
[0044]
步骤5，将步骤4得到的混合粉末磨碎，并用筛分仪中80目的筛网进行筛分，得到粒径大小合适的混合粉末；
[0045]
步骤6，将步骤5中得到的混合粉末装入石墨模具中预压，并在氮气氛围的保护下进行烧结，烧结温度至1700℃，压力为30mpa，保温保压时间为60min，热压烧结完成后得到新型的氮化硅基复合陶瓷材料。
[0046]
实施例3
[0047]
一种新型的氮化硅基复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0048]
步骤1，将农林生物质与des溶液混合反应后进行分级分离处理，得到纳米木质素；
[0049]
步骤2，称取3wt.％的纳米木质素，4wt.％的氧化钇粉末和6wt.％的氧化铝粉末，87wt.％的氮化硅粉末；
[0050]
步骤3，将上述粉末与溶剂放入行星式球磨仪中进行湿法球磨，转速设定为150r/
min，球磨时间为3h；
[0051]
步骤4，用真空干燥箱干燥步骤3得到的混匀的混合浆料，得到干燥的混合粉末；
[0052]
步骤5，将步骤4得到的混合粉末磨碎，并用筛分仪中80目的筛网进行筛分，得到粒径大小合适的混合粉末；
[0053]
步骤6，将步骤5中得到的混合粉末装入石墨模具中预压，并在氮气氛围的保护下进行烧结，烧结温度至1700℃，压力为30mpa，保温保压时间为60min，热压烧结完成后得到新型的氮化硅基复合陶瓷材料。