CN101555156B

CN101555156B - 一种氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法

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Publication number: CN101555156B
Application number: CN2009100152573A
Authority: CN
Inventors: 张玉军; 龚红宇; 谭砂砾; 赵东亮; 李建权; 赵林; 马富英
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: CN101555156A

Abstract

一种氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法，属于新材料技术领域。将氮化硼晶须、氮化硅粉、烧结助剂和其他添加剂球磨混合得到陶瓷浆料；采用注浆成型，或者将浆料干燥、制粉后采用冷等静压工艺成型；成型坯体经干燥后，在5～8MPa氮气气氛压力下1700～1850℃、保温1～3小时的条件下烧结，制得氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。该复合材料力学性能优良、介电性能好、耐温性和耐烧蚀性好，可以用于高性能天线罩的制备；同时该材料的制备方法简单易行、适合批量生产。

Description

一种氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

天线罩是制导武器弹头结构的重要组成部分，又是保护天线系统不受由高速飞行造成的恶劣气动环境影响的屏障，是一种集透波、防热、承载和抗蚀等多功能于一体的部件，因此天线罩材料要满足介电性能、力学性能、三防、寿命、工艺性和重量等要求。氮化硅(Si₃N₄)陶瓷具有优异的机械性能和高的热稳定性而且具有较低的介电常数和介电损耗。作为天线罩材料，氮化硅既具有氧化铝陶瓷的优点，又具有比熔融石英还好的抗烧蚀性能，能经受大于5马赫数飞行条件下的热冲击。氮化硼(BN)陶瓷具有比氮化硅陶瓷更好的热稳定性和更低的介电常数、介电损耗，而且在很宽的温度范围内具有极好的热性能和电性能的稳定性。但是，氮化硼强度较低而且易吸潮，不能单独制作天线罩。利用氮化硼、氮化硅各自的优点可以制备出综合性能优异的天线罩复合材料。

关于氮化硼/氮化硅复合材料及其制备工艺已有文献和专利报道。据介绍，法国已成功采用氮化硅/氮化硼复合材料制备天线罩。中国专利申请CN1569743A(200410023952.1)公开了“氮化硅-氮化硼-二氧化硅陶瓷透波材料及其制备方法”，所述的透波材料的特征在于耐温性、耐烧蚀性好，并且具有良好的力学性能和介电性能，透波率高。张伟儒等，硅酸盐通报，2003(3)：3-6，采用气氛压力烧结工艺制备了Si₃N₄-BN基陶瓷复合材料，研究表明：含有30％BN复合材料的室温抗弯强度为160MPa，弹性模量为99GPa，介电常数为4.0左右。王思青等，国防科技大学学报，2006，28(2)：44-47，以Si粉、BN粉、SiO₂粉为主要原料，采用反应烧结法制备Si₃N₄基复相陶瓷材料，结果表明：当原料中Si、BN和SiO₂分别为55％、30％和10％时，材料强度为96.7MPa，断裂韧性可达1.80MPa·m^1/2，同时材料具有良好的介电性能及热物理性能。张强等，硅酸盐学报，2007，35(3)：337-341，以硅粉、六方氮化硼为原料，采用燃烧合成气固反应法，原位生成氮化硅/氮化硼复相陶瓷，结果表明：Si₃N₄/h-BN复相陶瓷中以柱状β-Si₃N₄为主相，β-Si₃N₄晶粒之间为针状h-BN相。当h-BN相含量为15％时材料抗弯强度为122MPa。

上述研究通过氮化硼颗粒与氮化硅复合虽然在某种程度上提高了氮化硅的介电性能，但降低了氮化硅的力学性能。以氮化硼晶须作为第二相加入到氮化硅中，利用氮化硼晶须的结构特点可以制备即具有较低介电常数和介电损耗，又具有较高力学性能、耐温性和耐烧蚀性的氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有优良力学性能、介电性能、耐温性能和耐烧蚀性能的氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料；同时提供其简单易行、适合批量生产的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料，原料如下：氮化硅60～90wt.％，氮化硼晶须5～35wt.％和烧结助剂3～10wt.％。

所述氮化硅为高纯亚微米颗粒，α相氮化硅含量不低于93％，游离硅含量不大于0.3％，粒径为0.4～0.6微米。

所述氮化硼晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径1～3微米。

所述的烧结助剂选用氧化钇、二氧化硅、氧化铝、钇铝石榴石的一种或几种。

上述氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料采用以下方法制得：

将原料氮化硼晶须、氮化硅粉和烧结助剂混合；加入原料总重量0.5-1.2％的成型添加剂，球磨制成陶瓷浆料，直接采用注浆成型，或者将浆料干燥、制粉后采用等静压工艺成型；成型坯体经干燥后，在5～8MPa氮气气氛压力下1700～1850℃、保温1～3小时的条件下烧结。

本发明所说的注浆成型、等静压工艺成型均按本领域现有技术即可。

所述氮化硼晶须可按专利申请号为200910020661.X，名称为一种氮化硼晶须的制备方法的专利文件制备。

本发明氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料的制备方法，步骤如下：

(1)将氮化硼晶须、氮化硅、烧结助剂按比例称量混合，加入原料总重量0.5-1.2％的成型添加剂，球磨混合1～2h制成混合均匀的陶瓷浆料；

(2)将陶瓷浆料经处理后采用石膏模具注浆成型，或者将浆料通过干燥、制粉后得到氮化硼晶须/氮化硅复合粉体再采用等静压成型；

(3)所得成型坯体经干燥后，在氮气气氛压力为5～8MPa，1700～1850℃条件下烧结、保温1～3小时，而后随炉自然冷却至室温，制得氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。

步骤(2)所述等静压成型压力为100～150MPa。

步骤(2)采用注浆成型时，所用成型添加剂为：硅酸钠和碳酸钠、碳酸钠和羧甲基纤维素(CMC)、或者碳酸钠和阿拉伯树胶。添加量优选为原料总重量的0.6-1.0％。

步骤(2)采用等静压成型时，所用成型添加剂为：聚乙烯醇或木质素。添加量优选为原料总重量的0.5-0.8％。

步骤(1)球磨按本领域技术即可。球磨时需加水一般控制在使浆料固含量为40～70wt％。

本发明氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料的性能指标为：介电常数：3～4.5；介电损耗角正切：2～4×10^-3；室温弯曲强度：120～300MPa；使用温度：1400～1600℃。

本发明制备的氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料综合性能优异，可用于高性能天线罩的制备。

与现有技术相比，本发明的特点及优良效果如下：

1、本发明利用氮化硼晶须优良的介电性能和结构特性，与氮化硅复合制备出综合性能优异的氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。

2、本发明工艺简单易于实现工业化生产。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

1、将10wt.％的氮化硼晶须、85wt.％的氮化硅和5wt.％的烧结助剂氧化钇，以及原料总重量0.6％的添加剂聚乙烯醇(平均聚合度1750±50)，加水球磨混合2h，得到混合均匀的浆料。浆料固含量为60wt％；

2、将步骤1制得浆料干燥、破碎、过筛，得到混合粉体。

3、将步骤2制得混合粉体放入橡胶模具中，100MPa压力下等静压成型。

4、将步骤3成型的坯体干燥，然后放入气压烧结炉中，在氮气气氛压力为6MPa、温度为1800℃条件下保温2小时烧结，而后随炉自然冷却至室温，得到氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。

实施例2：

1、将20wt.％的氮化硼晶须、77wt.％的氮化硅和3wt.％的烧结助剂氧化硅，以及原料总重量0.7％的添加剂木质素(分子量1×10⁴～4×10⁴)，加水球磨混合1h，得到混合均匀的浆料，浆料固含量为55wt％；

2、将步骤1制得浆料干燥、破碎、过筛，得到混合粉体。

4、将步骤3成型的坯体干燥，然后放入气压烧结炉中，在氮气气氛压力为7MPa、温度为1700℃条件下保温2小时烧结，而后随炉自然冷却至室温，得到氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。

实施例3：

1、将5wt.％的氮化硼晶须、87wt.％的氮化硅和8wt.％的烧结助剂钇铝石榴石，以及原料总重量0.8％的添加剂聚乙烯醇(平均聚合度1750±50)，加水球磨混合2h，得到混合均匀的浆料，浆料固含量为65wt％；

2、将步骤1制得浆料干燥、破碎、过筛，得到混合粉体。

3、将步骤2制得混合粉体放入橡胶模具中，120MPa压力下等静压成型。

4、将步骤3成型的坯体干燥，然后放入气压烧结炉中，在氮气气氛压力为8MPa、温度为1850℃条件下保温3小时烧结，而后随炉自然冷却至室温，得到氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。

实施例4：

1、将20％氮化硼晶须、72％氮化硅和8％烧结助剂氧化钇，以及基于原料总重量的0.2％硅酸钠和0.6％碳酸钠，加水球磨混合2h，得到混合均匀的浆料，浆料固含量为60wt％；

2、将步骤1制备的浆料缓慢注入石膏模具中成型，而后脱模、干燥，得到坯体。

3、将步骤2制得坯体在氮气气氛压力为6MPa的条件下，烧结温度为1750℃、保温3小时进行烧结，而后随炉自然冷却至室温，最终制备出氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。

实施例5：

1、将35％氮化硼晶须、60％氮化硅和5％烧结助剂钇铝石榴石，以及基于原料总重量的0.2％碳酸钠和0.8％阿拉伯树胶(分子量2.5×10⁵)，加水球磨混合2h，得到混合均匀的浆料，浆料固含量50wt％；

3、将步骤2制得坯体在氮气气氛压力为8MPa的条件下，烧结温度为1800℃、保温1小时进行烧结，而后随炉自然冷却至室温，最终制备出氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料。

以上实施例1-5的氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料有关性能数据如下表：

Claims

1.一种氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料，其特征在于原料如下：氮化硅60～90wt.％，氮化硼晶须5～35wt.％和烧结助剂3～10wt.％；

所述氮化硅为高纯亚微米颗粒，α相氮化硅含量不低于93％，游离硅含量不大于0.3％，粒径为0.4～0.6微米；

所述氮化硼晶须为长柱状单晶，长径比40～100，直径1～3微米；

所述的烧结助剂选用氧化钇、二氧化硅、氧化铝、钇铝石榴石的一种或几种；

是按以下方法制得：

将原料氮化硼晶须、氮化硅粉和烧结助剂混合；加入原料总重量0.5-1.2％的成型添加剂，球磨制得陶瓷浆料，直接采用注浆成型，或者将浆料干燥、制粉后采用等静压工艺成型；成型坯体经干燥后，在5～8MPa氮气气氛压力下1700～1850℃、保温1～3小时的条件下烧结；

采用注浆成型时，所用成型添加剂为：硅酸钠和碳酸钠、碳酸钠和羧甲基纤维素、或者碳酸钠和阿拉伯树胶；采用等静压成型时，所用成型添加剂为：聚乙烯醇或木质素。

2.权利要求1所述的氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料的制备方法，步骤如下：

(1)将氮化硼晶须、氮化硅、烧结助剂按比例称量混合，加入原料总重量0.5-1.2％的成型添加剂，球磨1～2h制得混合均匀的陶瓷浆料；

3.如权利要求2所述的氮化硼晶须/氮化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于步骤(2)所述等静压成型压力为100～150MPa。