專利名稱：低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，屬于功能陶瓷技術領 域。
背景技術：
耐高溫透波材料，需要低介電常數(shù)、低損耗、耐高溫、抗熱振以及強度好等特 點，氮化硅陶瓷不僅具有良好的高低溫綜合性能，還具有優(yōu)秀的電氣性能，是高溫透波材料 的研究熱點之一，已經(jīng)被廣泛應用在航天航空、汽車發(fā)動、機械、化工、石油等領域。但是現(xiàn) 有的氮化硅陶瓷密度較高，介電常數(shù)較大，國內(nèi)外學者致力于通過制備多孔氮化硅陶瓷的 方式，提高氮化硅陶瓷的介電性能。多孔陶瓷是指具有一定尺寸和數(shù)量孔隙結構的新型陶瓷材料，多孔陶瓷具有均勻 分布的氣孔(氣孔率高達50 90%)、體密度小、比表面積大，并具有獨特的物理表面特征。 申請?zhí)枮?2802876. 7的技術介紹一種多孔氮化硅的制備方法，金屬Si粉末與燒結添加劑 混合，隨后熱處理，通過在1000°C或更多的溫度下微波加熱而進行二步熱處理，然后從其表 面進行氮化反應，金屬Si隨后擴散到在金屬Si的外殼上形成的氮化物，這樣可得到具有均 勻，細閉孔的多孔氮化硅陶瓷。200710144953. 5將復合氮化硅粉和空心微珠混合，經(jīng)干壓成 形后冷等靜壓，然后將冷等靜壓后所得坯體在保護氣氛下燒結，可制備大的閉合氣孔和規(guī) 則形狀氣孔的陶瓷。制備介電常數(shù)小于1.3、透波性能好的氮化硅陶瓷仍然材料研究的難 點ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料，介電常數(shù)小，透波性能好。本發(fā)明同時提供了科學合理的制備方法，簡單易行。本發(fā)明所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料，配料重量百分組成為 氮化硅75 95%
氧化釔 0 10% 氧化鋁 0 10% 二氧化硅1 5% ；
將配料制成料漿，以軟質(zhì)有機泡沫塑料為載體，經(jīng)浸漬料漿、擠壓制成坯體后燒結制 成，軟質(zhì)有機泡沫塑料的孔徑為60 120PPI。氮化硅是一種典型的共價鍵穩(wěn)定化合物擴散系數(shù)低，難以用常規(guī)燒結方法使其致 密化，本發(fā)明利用氧化鋁和氧化釔等燒結助劑，在氮氣氣氛下利用無壓燒結或氣壓燒結的 方式制作氮化硅泡沫陶瓷。本發(fā)明的制備方法科學合理，簡單易行，其中 排塑在氧化氣氛下進行，溫度制度為室溫至 500°C，10 60°C /h ； 500 800°C，80 200 °C /h ； 800 至 900°C，保溫 1 2h。燒結在氮氣氣氛下進行，燒結溫度1630 1750°C，保溫2 4h。成型后坯體最好經(jīng)干燥后燒結，烘干溫度100 120°C。料漿由高分子有機物與溶劑混合配制成濃度為0. 5 4%的溶液，加入0. 5 1% 的聚甲基丙烯酸類分散劑，再向溶液中加入20 40vol% (實例以重量比計)的配料制得。其中，高分子有機物為甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚苯乙烯或聚乙烯醇。溶劑為水、無水乙醇或叔丁醇中的一種或其任意比例的混合物。軟質(zhì)有機泡沫塑料為以具有彈性和能恢復原來形狀的可燃性開孔有機泡沫塑料， 孔徑為60 120PPI，可以為軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料或聚乙烯泡沫塑料， 其中，軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是在50 60°C溫度的pH值為9 11的堿溶液中浸泡約20 30min，用蒸餾水漂洗去除堿溶液后自然干燥制得。本發(fā)明低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料密度小于0. 2g/cm3，介電常數(shù)小，小于1. 3，彎 曲強度高，大于5MPa，透波性能好，能夠滿足應用要求。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1
按照88:6:4:2的重量比，將氮化硅、氧化鋁、氧化釔和二氧化硅組成陶瓷原料。將陶瓷 原料、羧甲基纖維素、分散劑D305，分散劑和水按照100:0. 5:1:50的重量比混合，調(diào)節(jié)pH值 至9. 5，然后在球磨機中混合均勻，制成料漿。選用80PPI的軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，采用輥壓沾漿工藝，向泡沫塑料載體上加入 陶瓷料漿，再將載體輸入輥壓機內(nèi)進行擠壓，擠出多余料漿，制成泡沫陶瓷坯體。將坯體放入烘干箱內(nèi)，在110°c下干燥，然后在氧化氣氛下從室溫以20°C /h的速 率緩慢升溫至500°c排塑，使泡沫塑料完全揮發(fā)，然后以100°C /h的升溫速度升溫至800°C 下保溫lh，使素坯具有一定強度，然后將素坯轉移到真空燒結爐內(nèi)，升溫至1680°C保溫2h， 自然冷去至室溫，即可獲得低介電的氮化硅質(zhì)多孔陶瓷。實施例2
按照85:6:4:5的重量比，將氮化硅、氧化鋁、氧化釔和二氧化硅組成陶瓷原料。將陶瓷 原料、聚乙烯醇、分散劑D305和水按照100:0.5:1:40的重量比混合，調(diào)節(jié)pH值至10，然后 在球磨機中混合均勻，制成料漿。選用100PPI的軟質(zhì)聚氯乙烯泡沫塑料，采用輥壓沾漿工藝，向泡沫塑料載體上加 入陶瓷料漿，再將載體輸入輥壓機內(nèi)進行擠壓，擠出多余料漿，制成泡沫陶瓷坯體。將坯體放入烘干箱內(nèi)，在110°c下干燥，然后在氧化氣氛下從室溫以10°C /h的速 率緩慢升溫至500°c排塑，使泡沫塑料完全揮發(fā)，然后以150°C /h的升溫速度升溫至800°C 下保溫lh，使素坯具有一定強度，然后將素坯轉移到氣氛壓力燒結爐內(nèi)，在氮氣保護下升溫 至1720°C保溫2h，自然冷去至室溫，即可獲得低介電的氮化硅質(zhì)多孔陶瓷。實施例3
4按照75:10:10:5的重量比，將氮化硅、氧化鋁、氧化釔和二氧化硅組成陶瓷原料。將陶 瓷原料、聚苯乙烯、分散劑DA和蒸餾水按照100:1:1:60的重量比混合，調(diào)節(jié)pH值至9，然后 在球磨機中混合均勻，制成料漿。選用120PPI的軟質(zhì)聚乙烯泡沫塑料，采用浸漿輥壓工藝，向泡沫塑料載體上加入 陶瓷料漿，再將載體輸入輥壓機內(nèi)進行擠壓，擠出過剩料漿，制成泡沫陶瓷坯體。將坯體放入烘干箱內(nèi)，在110°c下干燥，然后在氧化氣氛下從室溫以40°C /h的速 率緩慢升溫至500°c排塑，使泡沫塑料完全揮發(fā)，然后以150°C /h的升溫速度升溫至800°C 下保溫lh，使素坯具有一定強度，然后將素坯轉移到真空燒結爐內(nèi)，升溫至1650°C保溫3h， 自然冷去至室溫，即可獲得低介電的氮化硅質(zhì)多孔陶瓷。實施例4
按照88. 5:6:4:1. 5的重量比，將氮化硅、氧化鋁、氧化釔和二氧化硅組成陶瓷原料。將 陶瓷原料、聚苯乙烯、無水乙醇按照100:0. 5: 100的重量比混合，然后在球磨機中混合均 勻，制成料漿。選用100PPI的軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，采用輥壓沾漿工藝，向泡沫塑料載體上加入 陶瓷料漿，再將載體輸入輥壓機內(nèi)進行擠壓，擠出多余料漿，制成泡沫陶瓷坯體。將坯體放入烘干箱內(nèi)，在110°c下干燥，然后在氧化氣氛下從室溫以40°C /h的速 率緩慢升溫至500°c排塑，使泡沫塑料完全揮發(fā)，然后以150°C /h的升溫速度升溫至800°C 下保溫lh，使素坯具有一定強度，然后將素坯轉移到真空燒結爐內(nèi)，升溫至1650°C保溫2h， 自然冷去至室溫，即可獲得密度為0. 13g/cm3，介電常數(shù)為1. 15的氮化硅質(zhì)多孔陶瓷。實施例5
按照90:5:4:1的重量比，將氮化硅、氧化鋁、氧化釔和二氧化硅組成陶瓷原料。將陶瓷 原料、聚苯乙烯和叔丁醇按照100:2:50的重量比混合，調(diào)節(jié)pH值至9. 5，然后在球磨機中混 合均勻，制成料漿。選用60PPI的軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，采用輥壓沾漿工藝，向泡沫塑料載體上加入 陶瓷料漿，再將載體輸入輥壓機內(nèi)進行擠壓，擠出多余料漿，制成泡沫陶瓷坯體。將坯體放入烘干箱內(nèi)，在110°c下干燥，然后在氧化氣氛下從室溫以30°C /h的速 率緩慢升溫至500°c排塑，使泡沫塑料完全揮發(fā)，然后以100°C /h的升溫速度升溫至900°C 下保溫lh，使素坯具有一定強度，然后將素坯轉移到真空燒結爐內(nèi)，升溫至1660°C保溫3h， 自然冷去至室溫，即可獲得密度為0. 20g/cm3，介電常數(shù)為1. 29的氮化硅質(zhì)多孔陶瓷。實施例6
按照92:5:2:1的重量比，將氮化硅、氧化鋁、氧化釔和二氧化硅組成陶瓷原料。將陶瓷 原料、聚苯乙烯、分散劑D735和水按照100:0.5:1:90的重量比混合，調(diào)節(jié)pH值至10，然后 在球磨機中混合均勻，制成料漿。選用120PPI的軟質(zhì)聚乙烯泡沫塑料，采用輥壓沾漿工藝，向泡沫塑料載體上加入 陶瓷料漿，再將載體輸入輥壓機內(nèi)進行擠壓，擠出多余料漿，制成泡沫陶瓷坯體。將坯體放入烘干箱內(nèi)，在110°c下干燥，然后在氧化氣氛下從室溫以30°C /h的速 率緩慢升溫至500°c排塑，使泡沫塑料完全揮發(fā)，然后以200°C /h的升溫速度升溫至900°C 下保溫1. 5h，使素坯具有一定強度，然后將素坯轉移到真空燒結爐內(nèi)，升溫至1700°C保溫 2h,自然冷去至室溫，即可獲得密度為0. 18g/cm3，介電常數(shù)為1. 25的氮化硅質(zhì)多孔陶瓷。
實施例7
按照90:5:3:2的重量比，將氮化硅、氧化鋁、氧化釔和二氧化硅組成陶瓷原料。將陶瓷 原料、聚乙烯醇、分散劑D305、無水乙醇和水按照100:2. 5:1:50:50的重量比混合，調(diào)節(jié)pH 值至9. 5，然后在球磨機中混合均勻，制成料漿。選用80PPI的軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，采用輥壓沾漿工藝，向泡沫塑料載體上加入 陶瓷料漿，再將載體輸入輥壓機內(nèi)進行擠壓，擠出多余料漿，制成泡沫陶瓷坯體。將坯體放入烘干箱內(nèi)，在110°c下干燥，然后在氧化氣氛下從室溫以30°C /h的速 率緩慢升溫至500°c排塑，使泡沫塑料完全揮發(fā)，然后以180°C /h的升溫速度升溫至850°C 下保溫lh，使素坯具有一定強度，然后將素坯轉移到真空燒結爐內(nèi)，升溫至1720°C保溫2h， 自然冷去至室溫，可獲得介電常數(shù)小于1. 3的氮化硅質(zhì)多孔陶瓷。
權利要求
1.一種低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料，其特征在于配料重量百分組成為氮化硅75 95%氧化釔 0 10%氧化鋁 0 10%二氧化硅1 5% ；將配料制成料漿，以軟質(zhì)有機泡沫塑料為載體，經(jīng)浸漬料漿、擠壓制成坯體后燒結制 成，軟質(zhì)有機泡沫塑料的孔徑為60 120PPI。
2.根據(jù)權利要求1所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于在氮氣 氣氛下燒結，溫度1630 1750°C，保溫2 4h燒結。
3.根據(jù)權利要求2所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于氧化氣 氛下排塑，溫度制度為室溫至 500°C，10 60°C /h ；500 800°C，80 200 °C /h ；800 至 900°C，保溫 1 2h。
4.根據(jù)權利要求3所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于成型后 坯體經(jīng)干燥后燒結，烘干溫度100 120°C。
5.根據(jù)權利要求4所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于料漿由 高分子有機物與溶劑混合配制成濃度為0. 5 4%的溶液，加入適量的聚甲基丙烯酸類分散 劑，再向溶液中加入20 40vol%的配料制得。
6.根據(jù)權利要求5所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于高分子 有機物為甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚苯乙烯或聚乙烯醇。
7.根據(jù)權利要求5所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于溶劑為 水、無水乙醇或叔丁醇中的一種或其任意比例的混合物。
8.根據(jù)權利要求7所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于軟質(zhì)有 機泡沫塑料為軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料或聚乙烯泡沫塑料。
9.根據(jù)權利要求8所述的低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料的制備方法，其特征在于軟質(zhì)聚 氨酯泡沫塑料是在50 60°C溫度的pH值為9 11的堿溶液中浸泡約20 30min，用蒸 餾水漂洗去除堿溶液后自然干燥制得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料，屬于功能陶瓷技術領域，配料重量百分組成為氮化硅75～95%、氧化釔 0～10%、氧化鋁 0～10%和二氧化硅1～5%；將配料制成料漿，以軟質(zhì)有機泡沫塑料為載體，經(jīng)浸漬料漿、擠壓制成坯體后燒結制成，軟質(zhì)有機泡沫塑料的孔徑為60～120PPI。低介電常數(shù)氮化硅陶瓷材料，介電常數(shù)小，透波性能好；制備方法科學合理，簡單易行。
文檔編號C04B38/00GK102093077SQ20111000559
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權日2011年1月12日
發(fā)明者劉建, 李伶, 欒藝娜, 王洪升, 王重海, 程之強, 韋其紅, 高芳 申請人:中材高新材料股份有限公司, 山東工業(yè)陶瓷研究設計院有限公司