一种钨/氮化硅/钨对称层状梯度复合材料及其快速制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种W/Si

A kind of W / Si 3N 4 / W symmetrical layered gradient composite and its rapid preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种钨/氮化硅/钨对称层状梯度复合材料及其快速制备方法和应用
本专利技术属于陶瓷基复合材料制备的
，具体涉及一种W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料及其快速制备方法和应用。
技术介绍
氮化硅(Si3N4)陶瓷具有耐高温、良好的抗热震性、高绝缘系数、高耐磨性、耐腐蚀等优良的力学性能及化学稳定性，因此在高温结构材料、耐火材料、绝缘材料及耐蚀材料等领域中有广阔的应用前景。在实际应用中，通常要求Si3N4与耐热合金或不锈钢等金属构件相结合。而合金或不锈钢的热膨胀系数(10～16×10-6/℃)远大于Si3N4的热膨胀系数(2.8～3.2×10-6/℃)，导致他们相互连接时存在较大的热膨胀失配，这种热膨胀失配会在连接时形成较大的内应力，进而影响接头的强度、甚至是连接失效。在众多金属材料中，钨(W)的热膨胀系数(4.4～5.19×10-6/℃)与Si3N4最为接近，且物理、化学性质比较稳定。如果将W作为缓冲材料来降低Si3N4和金属构件之间的热膨胀失配，用以连接Si3N4和金属或合金构件，不仅会减少Si3N4与金属或合金之间的热应力，而且还能提高Si3N4与金属或合金之间的连接强度。因此，将Si3N4与W进行叠层烧结形成对称层状梯度复合材料，其中间为Si3N4陶瓷层、上下面为W层。这种对称层状梯度复合材料可作为液态金属电池用长效高温绝缘封装材料、航空航天用高温密封绝缘部件以及其他结构/功能一体化等部件使用。目前，对于Si3N4/W对称层状梯度材料的研究非常少，大多数报道集中在W与Si3N4直接连接复合。但W与Si3N4直接连接时，由于两者的热膨胀系数仍有一定的不匹配，容易产生界面裂纹。为了缓解热应力、提高连接强度，通常需要加入低熔点活性钎料，这又会导致连接件的使用温度较低，不能充分发挥Si3N4与W的高温性能优势。2008年，GuopingHe等人以Si3N4和W的不同浓度的混合浆料为原料，采用自动注浆成型(Robocasting)工艺叠层制备Si3N4-W梯度生坯，然后将生坯放置在石墨坩埚中，无压升温至1720℃，在0.08MPa的N2气气氛下保温1h制备了5～11层的单向梯度Si3N4-W材料[RobocastingandCofiringofFunctionallyGradedSi3N4,Materials[M],25thAnnualConferenceonComposites,AdvancedCeramics,Materials,andStructures:B:CeramicEngineeringandScienceProceedings,Volume22,Issue4.JohnWiley&Sons,Inc.2008.]。但该方法也存在一些不足：第一，该方法的自动注浆成型设备复杂、昂贵、叠层工艺较难实现；第二，该烧结工艺的烧结温度高、保温时间长、且要在一定压力的氮气气氛中保温等弊端；第三，用该方法烧结的样品会出现部分元素在界面上出现偏析，从而产生应力集中，易形成界面裂纹等缺陷，直接影响材料的力学、物理、化学和电化学性能；第四，由于在自动注浆成型时加入了一些高分子分散剂，样品中间层烧结后出现了较大孔隙，导致强度不高、气密性不好等问题。2018年，刘思雨等人采用放电等离子烧结(SPS)技术制备了MAX相/氮化物陶瓷层状梯度复合材料[一种MAX相/氮化物陶瓷层状梯度复合材料及其快速制备方法和应用。公开号：CN109400164A]。虽然MAX相陶瓷材料兼具金属和陶瓷的优良性能，也有望作为陶瓷/金属连接的过渡层材料使用，但MAX相的韧性仍然较金属差、且热膨胀系数高，使得热膨胀系数失配极难调控，所以制备的样品极易产生裂纹。因此，现有制备方法所得陶瓷/金属梯度材料仍难以作为液态金属电池的长效高温绝缘封装材料，以及一些结构/功能一体化部件使用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料及其快速制备方法，该方法具有升温速率快、烧结温度低、保温时间短的优点，经该方法能够快速制备出界面应力小、界面结合好、致密度高、杂质含量少的W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：本专利技术公开了一种W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料的快速制备方法，包括以下步骤：步骤1：根据设计的梯度层数、梯度组分以及各层组分厚度，将W粉、Si3N4粉以及烧结助剂进行充分混合，得到各层所需的混合粉末；步骤2：将各层所需的混合粉末按照步骤1的设计依次置于石墨模具中进行铺层和压制，随后安装上下石墨压头并在模具外表面嵌套石墨碳毡，完成装模工作；步骤3：将装有待烧结压坯的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛内，抽真空至不高于0.01Pa、轴向加压然后通入直流脉冲电流进行快速升温至烧结温度进行保温；步骤4：保温结束后先控制电流进行冷却，后随炉冷却，温度降至室温时卸压，打开炉膛，石墨模具内部所获得的制品即为W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料。优选地，所述烧结助剂采用MgO和Y2O3的复合体系，MgO的添加量为Si3N4质量的5％～20％，Y2O3的添加量为Si3N4质量的3％～7％。优选地，步骤1中，设计梯度层数为5～13层。优选地，步骤1中，设计的每层厚度为0.5～2mm。优选地，步骤3中，轴向加压施加的压力为35～75MPa。优选地，步骤3中，烧结温度为1500～1750℃，保温时间为3～7min。进一步优选地，步骤3中，快速升温制度为：从室温起，以150～300℃/min的速率升温至1400℃，再以50～100℃的速率升温至烧结温度进行保温。本专利技术还公开了采用上述的快速制备方法制得的W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料。本专利技术还公开了上述的W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料作为液态金属电池的高温密封绝缘材料的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：第一，本专利技术采用对称层状梯度过渡层的设计方法将化学性质及热膨胀系数有差异的W和Si3N4陶瓷进行有效连接。梯度组分仅含有W、Si3N4粉末及必要的烧结助剂而不引入其他金属焊料进行连接，有利于保持金属W和Si3N4陶瓷优异的高温力学性能、抗热震性、高温抗氧化性和抗腐蚀性；同时，由于中间Si3N4层的高绝缘系数使得整体复相陶瓷都可以达到良好的绝缘性能；W和Si3N4陶瓷的热膨胀系数差异较小，再通过在W层和Si3N4层中间引进数层梯度层可以有效降低不同层的热膨胀不匹配，以减小烧结后样品内部的残余内应力，从而保证不同梯度层界面之间无裂纹产生、且具有较高的连接强度；设计成对称梯度材料可有效的与实际应用结合，有利于进一步将该层状陶瓷/金属梯度材料与金属或合金连接，从而使得该设计方法制备的对称层状梯度结构复相陶瓷在高温绝缘封装等领域具有广泛的应用前景。第二，本专利技术采用SPS烧结技术制备W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料。与传统的热压烧结或无压烧结工艺相比，该技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种W/Si

【技术特征摘要】
1.一种W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据设计的梯度层数、梯度组分以及各层组分厚度，将W粉、Si3N4粉以及烧结助剂进行充分混合，得到各层所需的混合粉末；
步骤2：将各层所需的混合粉末按照步骤1的设计依次置于石墨模具中进行铺层和压制，随后安装上下石墨压头并在模具外表面嵌套石墨碳毡，完成装模工作；
步骤3：将装有待烧结压坯的石墨模具置于放电等离子烧结系统的炉膛内，抽真空至不高于0.01Pa、轴向加压然后通入直流脉冲电流进行快速升温至烧结温度进行保温；
步骤4：保温结束后先控制电流进行冷却，后随炉冷却，温度降至室温时卸压，打开炉膛，石墨模具内部所获得的制品即为W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料。


2.根据权利要求1所述的W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料的快速制备方法，其特征在于，所述烧结助剂采用MgO和Y2O3的复合体系，MgO的添加量为Si3N4质量的5％～20％，Y2O3的添加量为Si3N4质量的3％～7％。


3.根据权利要求1所述的W/Si3N4/W对称层状梯度复合材料的快速制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠旗，刘丹桂，刘思雨，张哲健，夏鸿雁，王波，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61