Способ получения керамического материала из нитрида кремния

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ИЗ НИТРИДА КРЕМНИЯ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Урбанович Владимир Степанович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ получения керамического материала из нитрида кремния, включающий формование исходной заготовки из порошка нитрида кремния, сжатие ее до необходимого давления, нагрев до температуры спекания, спекание под давлением, отключение нагрева,охлаждение образца и снижение давления до атмосферного, отличающийся тем, что нагрев заготовки до температуры спекания производят со скоростью 350-4500 С/мин, спекание осуществляют при давлении 1,5-2,9 ГПа и температуре 1750-2200 С, а давление снижают до атмосферного со скоростью 1-25 ГПа/мин. Фиг. 1 Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к технологии изготовления керамического материала, используемого, например, в авиационной технике на основе нитрида кремния или электронике. Известен способ получения керамического материала 1. Он включает спекание исходной заготовки из порошка нитрида кремния без активирующих добавок при давлении 11890 1 2009.04.30 3 ГПа и температуре 1000-1700 С в течение 30 мин. Скорость нагрева прессовки до температуры спекания составляет 100 С/мин. Недостатком известного способа является низкая производительность и невысокая плотность спеченных образцов (97-99 ). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения керамического материала на основе нитрида кремния -модификации,включающий формование исходной прессовки из порошка нитрида кремния и ее спекание без активирующих добавок под давлением 3 ГПа при температурах 1100-1700 С. Скорость нагрева заготовки до температуры спекания составляет 300 С/мин 2. Недостатком известного способа является низкая производительность, обусловленная низкой скоростью нагрева образцов до температуры спекания (300 С/мин), хрупкость материала. Задачей настоящего изобретения является повышение производительности и улучшение качества получаемого материала. Поставленная задача достигается тем, что в способе получения керамического материала из нитрида кремния, включающем формование исходной заготовки из порошка нитрида кремния, сжатие ее до необходимого давления, нагрев до температуры спекания,спекание под давлением, отключение нагрева, охлаждение образца и снижение давления до атмосферного, нагрев заготовки до температуры спекания производят со скоростью 350-4500 С/мин, спекание осуществляют при давлении 1,5-2,9 ГПа и температуре 17502200 С, а давление снижают до атмосферного со скоростью 1-25 ГПа/мин. Новым, по мнению авторов, является то, что нагрев заготовки до температуры спекания производят со скоростью 350-4500 С/мин, спекание осуществляют при давлении 1,52,9 ГПа и температуре 1750-2200 С, а давление снижают до атмосферного со скоростью 1-25 ГПа/мин. Сущность заявляемого технического решения заключается в ускорении процесса получения спеченного изделия из порошка нитрида кремния, содержащего только -фазу или смесь - и - фаз без использования активирующих добавок. Это достигается за счет увеличения скорости нагрева исходной заготовки до температуры спекания до 3504500 С/мин, и увеличения температуры спекания до 1750-2200 С. Спеченные изделия содержат только -фазу нитрида кремния и имеют максимально возможную плотность(100 ), вследствие чего достигаются высокие физико-механические свойства, в частности трещиностойкость. За счет более высокой, чем в прототипе, скорости нагрева исходной заготовки в процессе нагрева возникают неоднородности распределения температуры по ее объему. Они обусловливают микронапряжения кристаллической решетки нитрида кремния, способствующие ускорению процесса его спекания и полиморфногопревращения нитрида кремния. В свою очередь, фазовый переход в нитриде кремния из -модификации втакже активирует процесс спекания. Указанные факторы позволили снизить давление спекания до 1,5-2,9 ГПа. Уменьшение давления спекания ниже 1,5 ГПа не позволяет интенсифицировать процесс получения спеченного материала из нитрида кремния по сравнению с прототипом. Увеличение давления спекания выше 2,9 ГПа приводит к возрастанию напряжений решетки и возникновению трещин в образцах при снятии давления. Вследствие этого уменьшается их плотность и выход годных изделий. Уменьшение температуры спекания ниже 1750 С не позволяет получить высокоплотные образцы с высокой прочностью сцепления частиц порошка друг с другом. Увеличение температуры спекания выше 2200 С приводит к диссоциации нитрида кремния и возникновению крупных пор. Поэтому спеченные образцы имеют низкие физико-механические свойства. 2 11890 1 2009.04.30 Уменьшение скорости нагрева исходной заготовки нитрида кремния до величины менее 350 С/мин не позволяет существенно увеличить производительность способа. Увеличение скорости нагрева выше 4500 С/мин, ограничивается возможностями аппаратуры высокого давления, а также низкой теплопроводностью нитрида кремния. Поэтому при скорости нагрева более 4500 С/мин возникают микронапряжения в спеченных образцах, приводящие к появлению макротрещин. При быстром снятии давления по окончании процесса спекания (более 25 ГПа/мин) за счет большого времени релаксации в спеченных образцах возникают микро- и макротрещины. При снятии давления со скоростью менее 1 ГПа/мин - низкая производительность процесса получения спеченного изделия. Предлагаемый способ получения керамического материала из нитрида кремния осуществляют следующим образом. Из исходного порошка нитрида кремния с размером частиц 0,01-100 мкм предварительно прессованием формуют заготовку и располагают ее в осевом отверстии контейнера вместе с нагревателем. Контейнер помещают в устройство высокого давления и подвергают сжатию до необходимого давления 1,5-2,9 ГПа. Затем исходную заготовку нагревают со скоростью 350-4500 С/мин до температуры спекания 1750-2200 С и выдерживают при ней в течение времени, необходимого для спекания материала. По окончании процесса спекания отключают нагрев, охлаждают образец, снижают давление до атмосферного со скоростью 1-25 ГПа/мин. Спеченный образец из нитрида кремния извлекают из контейнера. На фиг. 1 и 2 представлена конструкция ячейки для спекания изделий из нитрида кремния по предлагаемому способу. Ячейка содержит (фиг. 1) контейнер 1, заготовку 2 из нитрида кремния, токовводынагреватели 3, теплоизолирующие заглушки 4. Контейнер 1, а также теплоизолирующие заглушки 4 могут быть выполнены из литографского камня, пирофиллита и т.п., а токовводы-нагеватели 3 - из графита или другого тугоплавкого материала, молибдена, тантала и т.п. На фиг. 2 ячейка имеет оболочку 5 для предотвращения диффузии в заготовку 2 примесей из материала контейнера 1 в процессе спекания. Оболочка 5 может быть выполнена из тугоплавких металлов, тантала, молибдена и т.п. или их соединений, например, и т.д. Исходную заготовку 2 располагают в полости, образованной чашеобразными токовводами-нагревателями 3, установленными в осевом отверстии контейнера 1. После этого контейнер 1 с заготовкой 2 сжимают в аппарате высокого давления. После сжатия заготовку 2 нагревают до необходимой температуры и спекают. После спекания отключают нагрев, заготовку 2 охлаждают и снижают давление до атмосферного. Примеры конкретного осуществления заявляемого способа. Пример 1. Из порошка нитрида кремния с размером частиц 0,01 мкм под давлением 10 МПа прессовали заготовку в виде таблетки диаметром 11 мм и высотой 5 мм, устанавливали ее в реакционную ячейку (фиг. 1), которую помещали в аппарат высокого давления, сжимали до давления 1,5 ГПа. Затем заготовку нагревали в течение 5 мин со скоростью 350 С/мин до температуры 1750 С и спекали при этой температуре в течение 9 мин. После отключения нагрева и охлаждения заготовки снижали давление до атмосферного со скоростью 1 ГПа/мин, в течение 1,5 мин. Спеченное изделие из нитрида кремния имело плотность 99,5 , пример 4. Из порошка нитрила кремния с размером частиц около 0,01 мкм аналогично примеру 1 прессовали заготовку, а затем спекали при давлении 1 ГПа и температуре 1650 С в течение 5 мин. Нагрев заготовки до температуры спекания проводили со скоростью 300 С/мин в течение 5,3 мин. Снятие давления по окончании спекания вели со скоростью 0,5 ГПа/мин в течение 2 мин. Спеченное изделие из нитрида кремния имело относительную плотность 90 . Время получения спеченного изделия составило около 12,3 мин. 3 11890 1 2009.04.30 Трещиностойкость определяли методом индентирования при нагрузке 200 Н. Время получения спеченного изделия составляло 15,5 мин (591,5). Пример 2. Из порошка нитрида кремния с размером частиц 100 мкм аналогично примеру 1 прессовали заготовку, а затем спекали при давлении 2,9 ГПа и температуре 2200 С в течение 1 мин. Нагрев заготовки до температуры спекания проводили со скоростью 4500 С/мин в течение 0,5 мин. Снятие давления вели со скоростью 25 ГПа/мин в течение 6 с. Спеченное изделие имело плотность 100 , трещиностойкость 4 МПам 1/2. Время получения спеченного изделия составило 1,6 мин. Пример 3. Из порошка нитрида кремния с размером частиц около 1 мкм аналогично примеру 1 прессовали заготовку, а затем спекали при давлении 2,5 ГПа и температуре 2000 С в течение 1,5 мин. Нагрев заготовки до температуры спекания проводили со скоростью 3000 С/мин в течение 1,5 мин. Снятие давления по окончании спекания вели со скоростью 15 ГПа/мин в течение 8 с. Спеченное изделие имело плотность 100 , трещиностойкость 5,4 МПам 1/2. Время получения спеченного изделия составило около 3,1 мин. Пример 4. Из порошка нитрида кремния с размером частиц около 0,01 мкм аналогично примеру 1 прессовали заготовку, а затем спекали при давлении 1 ГПа и температуре 1650 С в течение 5 мин. Нагрев заготовки до температуры спекания проводили со скоростью 300 С/мин в течение 5,3 мин. Снятие давления по окончании спекания вели со скоростью 0,5 ГПа/мин в течение 2 мин. Спеченное изделие из нитрида кремния имело относительную плотность 90 . Время получения спеченного изделия составило около 12,3 мин. Пример 5. Из порошка нитрида кремния с размером частиц около 100 мкм аналогично примеру 1 прессовали заготовку, а затем спекали при давлении 3,5 ГПа и температуре 2300 С в течение 1 мин. Нагрев заготовки до температуры спекания проводили со скоростью 4800 С/мин в течение 2 мин. Снятие давления по окончании спекания вели со скоростью 30 ГПа/мин в течение 0,1 мин. Спеченное изделие из нитрида кремния имело относительную плотность 97 . Пример 6. Из порошка нитрида кремния с размером частиц около 1 мкм аналогично примеру 1 прессовали заготовку и спекали ее, согласно способу-прототипу, при давлении 3 ГПа и температуре 1600 С в течение 30 мин. Нагрев заготовки до температуры спекания проводили со скоростью 300 С/мин в течение 5,7 мин. Спеченное изделие из нитрида кремния имело относительную плотность 99,5 и трещиностойкость 3,1 МПам 1/2. Таким образом, при спекании нитрида кремния без активирующих добавок в соответствии с предлагаемым техническим решением плотность спеченных изделий составляет 99,5-100 . Трещиностойкость 3,3-5,4 МПам 1/2 и время получения спеченного изделия 1,6-15,5 мин (примеры 1-3). При спекании нитрида кремния по способу-прототипу (пример 6) плотность образцов составляет 99,5 , трещиностойкость 3,1 МПам 1/2, а время получения изделий 30 мин. Из этих данных видно, что при использовании заявляемого технического решения в оптимальном режиме по сравнению с прототипом плотность спеченных изделий возрастает на 0,5 до абсолютной, трещиностойкость - на 70 , а время получения изделий сокращается в 10 раз. Это позволяет увеличить производительность способа. Применение высокоплотных изделий из нитрида кремния без активирующих добавок позволяет использовать их при более высоких температурах. 11890 1 2009.04.30 Источники информации 1...34. г кг гидзюцу сикэндзе хококу, . . . . . . - 1985. - . 34. -11-12. - . 368-374. 2.Т.. . . . . - 1981. - . 60. -12. - . 1281-1283 (аналог). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5