一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷及其制备方法和应用，氮化硅基陶瓷在烧结时内部设置有镍丝；镍丝呈螺旋弹簧结构。具体包括以下步骤：步骤1，按质量比例取90wt％～91wt％的Si

【技术实现步骤摘要】
一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术属于结构陶瓷材料
，具体属于一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷制备方法。
技术介绍
随着科技的发展，功能需求的牵引使得人们对结构陶瓷材料的性能需求越来越高，比如轴承球和机床上的刀具等，人们希望结构陶瓷材料可以兼备良好的力学性能和摩擦学性能。氮化硅陶瓷具有高硬度、高熔点、耐腐蚀和自润滑能力，在摩擦学性能上表现优异，但是其脆性使得氮化硅单质材料极易发生脆性断裂，极大的拉低了它的力学性能表现，以致影响氮化硅陶瓷的应用。综上所述，现有技术中的陶瓷材料存在韧性低，极易发生脆性断裂，应用范围窄的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷及其制备方法和应用，以解决氮化硅陶瓷材料脆性大的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷，所述氮化硅基陶瓷在烧结时内部设置有镍丝；所述镍丝呈螺旋弹簧结构。优选的，所述螺旋弹簧结构的镍丝的圈数不少于4层。一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷制备方法，包括以下步骤：步骤1，按质量比例取90wt％～91wt％的Si3N4粉体、9wt％～10wt％的Al2O3和Y2O3粉体混合均匀后干燥得到复合粉料；并取相对于复合粉料质量5％～10％的螺旋弹簧结构镍丝；步骤2，将螺旋弹簧结构的镍丝固定在模具中，加入步骤1得到的复合粉料进行预压；步骤3，对预压后的复合粉料和镍丝在氮气氛围保护下进行烧结，烧结温度为1700℃～1800℃，压力为30MPa～50MPa，保温保压时间为30min～60min，得到仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅陶瓷复合材料。优选的，步骤1中，将称量好的Si3N4粉体、Al2O3和Y2O3粉体放置在球磨罐中，加入二氧化锆球和酒精，使用行星式球磨机进行球磨和混料形成混合浆料，对混合浆料进行干燥后得到复合粉料；所述二氧化锆球质量和粉体质量的比例为10：1，酒精质量为粉体质量的1/2；所述球磨速度为150r/min～250r/min，球磨时间为300min～600min，10～15个循环，每个循环停5min～9min，正反向交互球磨。进一步的，步骤1中，将混合浆料放于烘箱中进行加热烘干，在蒸发的同时进行搅拌，直至酒精蒸发完毕，形成复合粉料。优选的，所述步骤1中，先用金相砂纸将镍丝表面均匀打磨，再将镍丝制备成螺旋弹簧结构，所述螺旋弹簧结构的镍丝的圈数不少于4层。优选的，步骤2中，所述复合粉料在加入模具中预压前，将复合粉料研磨后进行过筛，所述筛网目数为80～160目。优选的，所述步骤2中，在石墨模具中刷涂立方氮化硼溶液并放入石墨纸，将螺旋弹簧结构的镍丝固定在石墨模具的底座上，再将复合粉料装入石墨模具中。优选的，所述Si3N4粉体纯度为99.99％，α相>94％，平均粒径0.3μm，Al2O3和Y2O3粉体纯度>99.5％，平均粒径为1μm，镍丝纯度99.9％，直径为0.4mm。一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷的应用，所述仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷应用在机械制造领域中，具体应用为机床切削刀具、飞机涡流发动机和轴承滚珠。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷，通过在氮化硅基陶瓷烧制时加入螺旋弹簧结构的镍丝，形成仿木年轮结构来增加氮化硅基陶瓷的韧性，通过仿生结构设计提升氮化硅基陶瓷的材料性能，避免氮化硅基陶瓷发生脆性断裂，结构简单，提高了氮化硅基陶瓷的应用范围。镍丝与氮化硅陶瓷的界面结合性好，表现出良好的亲润性，正是有这种良好的界面结合性，才凸显出了仿木年轮结构对氮化硅陶瓷的增韧效果。通过物理力学测试发现，该结构可以有效的提高氮化硅陶瓷的断裂韧性、抗弯强度、致密度和硬度。进一步的，通过设置不少于4层的螺旋弹簧结构镍丝，形成多层的年轮结构，进一步的增强了氮化硅陶瓷的力学性能。本专利技术一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷制备方法，采用Si3N4和增强相金属Ni丝为原料，制成仿木材年轮结构的Si3N4/Ni陶瓷复合材料，采用Al2O3和Y2O3粉末为烧结助剂，在氮气氛围中，保温保压进行热压烧结，得到具有较好力学性能的Ni增韧的氮化硅基陶瓷复合材料，较单质氮化硅块体材料密度和硬度均有提升，且金属镍与陶瓷基体之间结合行为良好。附图说明图1为本专利技术实施例1中的仿木年轮状的镍丝结构图；图2为本专利技术实施例1中金属镍与氮化硅陶瓷基体间结合图；图3为本专利技术实施例1中金属镍与氮化硅晶粒结合的微观组织图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。本专利技术的一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷，基于“简单组成，复杂结构”设计思路，又融入了“通过仿生结构设计提升材料性能”的想法，从大自然中具有高韧性的木材身上获得设计灵感，深度分析了木材结构组成对其自生具备高韧性的影响，分析推测得出木材中年轮的圈层复合结构是其具备高韧性的主要原因之一，将从树木的年轮结构中得到启发运用到复合材料的制备中，本专利技术通过在制备工艺过程中的陶瓷复合材料的结构组成上进行创新设计，在复合陶瓷材料领域中，通过将金属镍丝作为氮化硅陶瓷的增韧相的制备方法还未曾有人提出。本专利技术采用Si3N4和增强相金属Ni丝为原料，制成仿木材年轮结构的Si3N4/Ni陶瓷复合材料，采用Al2O3和Y2O3粉末为烧结助剂，先将Si3N4粉末与烧结助剂经球磨粉碎混匀，干燥过筛，再将表面拉毛处理的金属Ni丝仿照木材年轮结构制成4圈不同直径且间距均匀的螺旋弹簧结构，将二者装入石墨模具，在氮气氛围中，保温保压进行热压烧结，得到具有较好力学性能的Ni增韧的氮化硅基陶瓷复合材料，较单质氮化硅块体材料密度和硬度均有提升，且金属镍与陶瓷基体之间结合行为良好，金属镍与氮化硅陶瓷基体间结合见图2和图3所示，如图2所示，界面结合处，氮化硅与金属镍之间无明显缝隙，没有因热膨胀系数差异带来的收缩开裂现象；又从图3中我们可以看到，氮化硅晶粒在金属镍中交错生长，展现出了良好的亲润性，所以二者结合行为良好。本专利技术的一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷可以应用于航天军工、机械工程、超细研磨、汽车、加工制造等领域，具体可用做飞机涡流发动机、轴承滚珠、机械密封环，阀门、研磨球、柴油机电热塞、高性能机床切削刀具等。实施例1一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷制备方法，包括以下步骤：步骤S1，配料：称取氮化硅、氧化铝和氧化钇(总质量为36g)，其质量百分比为：氧化钇和氧化铝共9wt％，氮化硅：91wt％；另外称取相对于粉体质量5％的金属镍丝用来制备仿木年轮结构；其中，所称取的原料参数为Si3N4纯度99.99％，α相>94％，平均粒径0.3μm；Al2O3和Y2O3纯度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷，其特征在于，所述氮化硅基陶瓷在烧结时内部设置有镍丝；所述镍丝呈螺旋弹簧结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷，其特征在于，所述氮化硅基陶瓷在烧结时内部设置有镍丝；所述镍丝呈螺旋弹簧结构。


2.根据权利要求1所述的一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷，其特征在于，所述螺旋弹簧结构的镍丝的圈数不少于4层。


3.一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按质量比例取90wt％～91wt％的Si3N4粉体、9wt％～10wt％的Al2O3和Y2O3粉体混合均匀后干燥得到复合粉料；并取相对于复合粉料质量5％～10％的螺旋弹簧结构镍丝；
步骤2，将螺旋弹簧结构的镍丝固定在模具中，加入步骤1得到的复合粉料进行预压；
步骤3，对预压后的复合粉料和镍丝在氮气氛围保护下进行烧结，烧结温度为1700℃～1800℃，压力为30MPa～50MPa，保温保压时间为30min～60min，得到仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅陶瓷复合材料。


4.根据权利要求1所述的一种仿木年轮结构镍丝增韧的氮化硅基陶瓷制备方法，其特征在于，步骤1中，将称量好的Si3N4粉体、Al2O3和Y2O3粉体放置在球磨罐中，加入二氧化锆球和酒精，使用行星式球磨机进行球磨和混料形成混合浆料，对混合浆料进行干燥后得到复合粉料；
所述二氧化锆球质量和粉体质量的比例为10：1，酒精质量为粉体质量的1/2；所述球磨速度为150r/min～250r/min，球磨时间为300min～600min，10～15个循环，每个循环停5min～9min，正反向交...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈威，朱朝龙，贾鑫，赵自强，刘星宇，刘宣彤，吴晨静，成坤，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61