制备基于氮化硅和β-锂霞石陶瓷复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备基于氮化硅和β-锂霞石陶瓷复合材料的方法。所述制备烧结陶瓷复合材料的方法，该方法基于氮化硅和β-锂霞石，其包括制备由结晶形式的氮化硅粉末和结晶形式的第一铝硅酸锂粉末组成的第一粉末混合物的步骤(101)，所述第一铝硅酸锂粉末的组成如下：(Li2O)x(Al2O3)y(SiO2)z，该铝硅酸锂的组成使得摩尔分数的给定值(x，y，z)不同于(1，1，2)的给定值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的领域为设计适于制备用于空间应用的光学元件(例如镜子)和制备光学结构(也称结构元件，其功能是定位和支持该光学元件)的材料。
技术介绍
空间观测中的普遍趋势是增加镜子的直径，其为了未来科学使命而用于从例如地球同步轨道观测宇宙和观测地球。因此，在不远的未来，将会需要允许实现高度轻质化 (lightening)的极稳定的材料，同时其仍刚性且坚固，并且该材料将使得能够制备具有大于2米的直径并具有小于25千克/平方米的每单位面积质量的镜子。为了得到尺寸稳定的镜子，寻求具有很低CTE (热膨胀系数)的材料。光学结构如望远镜结构也在尺寸稳定性方面受到非常严格的要求，以便能够保证图像质量并显著地在发射(firing)过程中以及在任务全程中保持光学元件之间对于地面的调准(alignment)。另外，其增加的尺寸还需要允许实现高水平的轻质化同时仍然刚性且坚固的材料。更特别地，目标是得到具有适于空间领域中的光学应用的热膨胀系数和机械性能的材料。“适于空间应用的热膨胀系数”的表述理解为指在环境温度附近和/或在低温下 (Τ < 150K)小于1. SxlO-6K-1的热膨胀系数。“具有适于航空应用的机械性能的材料”的表述理解为指具有高杨氏模量(即大于IOOGPa)和高测量挠曲强度(即大于100兆帕)的材料。氮化硅(Si3N4)因其具有良好的机械性能而是用于这些应用的很好候选者。显著地，其具有高杨氏模量(等于约320GPa)和高测量挠曲强度(即大于700兆帕)。然而，氮化硅具有非零(略正值)的热膨胀系数。β -锂霞石是广泛地以首字母缩略词LAS表示的铝硅酸锂，其组成如下(Li2O) x (Al2O3) y (SiO2) z，其中χ、y和ζ是氧化锂Li20、氧化铝Al2O3和二氧化硅SiO2各自的摩尔分数。β-锂霞石的各摩尔分数如下x = l、y = 1且ζ = 2。锂霞石具有高负值的热膨胀系数的特殊特征，换言之其在温度升高时收缩。纳米尺寸或微米尺寸多晶的β -锂霞石的热膨胀系数为约-8Χ ΙΟ—Ι—1 (K与开氏温度一致)。 当将锂霞石结合进氮化硅基体时，其具有降低由此得到的复合材料的膨胀系数的趋势。已知制备烧结陶瓷复合材料的方法，该方法包括在水或醇溶液中混合β -锂霞石和氮化硅粉末的步骤。随后将该混合物加热至一定温度以烧结氮化硅。本申请人已发现，若不公开本专利技术，不可能通过该公知方法得到具有适于空间领域中的光学应用的尺寸稳定性和机械性能的复合材料。具体而言，由公知方法，仅当混合物具有至少等于60%的β-锂霞石质量分数时，才可能由氮化硅/β-钾霞石混合物得到具有适于空间应用的膨胀系数的材料。此时，与氮化硅的机械性能相比，具有约70GI^杨氏模量的锂霞石降低了复合材料的机械性能。得到的复合材料具有与空间领域的光学应用不相容的机械性能。本专利技术的目标是提供制备烧结陶瓷复合材料的方法，该复合材料的尺寸稳定性与空间应用相容，并且其优良的机械性能使得能够制备大型光学元件和结构。本申请人已发现，将其中分散了结晶β-锂霞石颗粒的氮化硅基体烧结时，二氧化硅和氮化硅之间发生反应。这些反应形成氧氮化硅(silicon oxinitride)，其具有改变 β-锂霞石组成的作用。得到的复合材料不仅包含β-锂霞石，还包含不同于β-锂霞石的铝硅酸锂(LAS)。当摩尔分数的给定值(X，y，ζ)不同于(1，1，2)时，铝硅酸锂具有不同于β-锂霞石的(Li2O)x(Al2O3)y(SiO2)z组成。此时，仅当铝硅酸锂的组成为β-锂霞石的组成时，铝硅酸锂才具有高负值的热膨胀系数。因此，只有使用大量的锂霞石，现有技术的方法才有可能得到低至符合需要的热膨胀系数。本申请人还已发现，将其中分散了结晶钾霞石颗粒的氮化硅基体烧结时， 锂霞石颗粒发生熔融。因此在冷却下来之后，得到的锂霞石是非晶形形式的。此时，非晶形形式的锂霞石具有比以其结晶形式时更高的热膨胀系数。
技术实现思路
因此，本专利技术的主题是制备烧结陶瓷复合材料的方法，该方法基于氮化硅和锂霞石，其包括制备由结晶形式的氮化硅粉末和结晶形式的第一铝硅酸锂粉末组成的第一粉末混合物的步骤，第一铝硅酸锂粉末的组成如下(Li2O) x (Al2O3) y (SiO2) z，其特征在于该铝硅酸锂的组成使得摩尔分数的给定值(x，y，z)不同于(1，1，2)的给定值。根据本专利技术的一个具体实施方案，本方法包括对由第一混合物得到的由氮化硅和第一铝硅酸锂组成的复合材料的第一加热处理，以使氮化硅烧结并得到基于氮化硅和 β-锂霞石的陶瓷复合材料。根据本专利技术的一个具体实施方案，在第一加热处理的操作条件下的锂霞石熔点以上的第一温度下进行第一加热处理。根据本专利技术的一个具体实施方案，本方法包括在第一加热处理之后的第二加热处理以使β-锂霞石结晶。根据本专利技术的一个具体实施方案，通过将基于氮化硅和钾霞石陶瓷复合材料加热到至少500°C至800°C的温度并将其维持在所述温度下而进行第二加热处理。根据本专利技术的一个具体实施方案，第二加热处理包括在成核温度下的成核步骤以及在成核温度以上的生长温度下的生长步骤。根据本专利技术的一个具体实施方案，在已将烧结后得到的陶瓷复合材料静置以冷却下来之后进行第二加热处理。根据本专利技术的一个具体实施方案，本方法包括，在将氮化硅粉末与第一铝硅酸锂混合的步骤之前清洗第一氮化硅粉末以去除污染第一氮化硅粉末的二氧化硅的步骤。根据本专利技术的一个具体实施方案，本方法包括制备第一铝硅酸锂粉末的步骤，其包括-为得到第一铝硅酸锂，制备以合适比例的碳酸锂、氧化铝和二氧化硅的粉末混合物的步骤；和-为得到第一铝硅酸锂，煅烧得自所述混合物的粉末的步骤。根据本专利技术的一个具体实施方案，煅烧步骤包括温度升高至最高温度的步骤，继以在温度已达最高温度后立即开始降低温度的步骤。根据本专利技术的一个具体实施方案，氮化硅粉末晶体为纳米尺寸或微米尺寸，且第一铝硅酸锂粉末晶体为纳米尺寸或微米尺寸。根据本专利技术的方法使得能够得到基于锂霞石的烧结复合材料，而不是基于不同于锂霞石的LAS的复合材料。因此，有可能得到具有很低膨胀系数或者膨胀系数甚至为零的复合材料，且其仍具有与空间领域中的光学应用相容的机械性能。附图说明本专利技术的其它特征和优势将通过阅读以下以非限制性实施例的方式给出的具体描述并参照附图而显而易见，其中-图1是表示根据本专利技术的方法的步骤的流程图；和-图2是表示一个实施例的步骤的流程图，该实施例为合成根据本专利技术的方法中使用的LAS的方法。在两张图中，相同的单元用相同的附图标记标注。 具体实施例方式图1中显示用于制备根据本专利技术的基于烧结氮化硅和β -锂霞石的陶瓷复合材料的方法的步骤。在101，根据本专利技术的方法包括在溶液中制备以结晶态的第一铝硅酸锂LAS的粉末(其组成与锂霞石的组成不同)与结晶形式氮化硅粉末连同任选的添加剂的第一混合物的步骤。例如该第一混合物以水分散体或醇分散体制备。优选使用具有纳米尺寸或微米尺寸的LAS和氮化硅颗粒的粉末。通过加入与氮化硅的量相比少量的LAS，维持了与氮化硅的机械性能相近的机械性能。任选地，可使用添加剂如烧结助剂，例如A1203+Y203、Y203+Mg0, Li2O-Y2O3^ MgO或者AO3类型。例如混合步骤为分散步骤。该步骤使得能够使第本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种制备烧结陶瓷复合材料的方法，该方法基于氮化硅和β－锂霞石，其包括制备由结晶形式的氮化硅粉末和结晶形式的第一铝硅酸锂粉末组成的第一粉末混合物的步骤（１０１），所述第一铝硅酸锂粉末的组成如下：（Ｌｉ２Ｏ）ｘ（Ａｌ２Ｏ３）ｙ（ＳｉＯ２）ｚ，其特征在于所述铝硅酸锂的组成使得摩尔分数的给定值（ｘ，ｙ，ｚ）不同于（１，１，２）的给定值。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：L·布朗沙尔，G·凡托齐，A·佩尔唐，H·勒韦龙，J·舍瓦利耶，Y·维图皮耶，
申请(专利权)人：泰勒斯公司，国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：FR