專利名稱：一種氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天線罩是制導(dǎo)武器彈頭結(jié)構(gòu)的重要組成部分，又是保護(hù)天線系統(tǒng)不受由高速飛行造成的 惡劣氣動(dòng)環(huán)境影響的屏障，是一種集透波、防熱、承載和抗蝕等多功能于一體的部件，因此 天線罩材料要滿足介電性能、力學(xué)性能、三防、壽命、工藝性和重量等要求。氮化硅(Si3N4) 陶瓷具有優(yōu)異的機(jī)械性能和高的熱穩(wěn)定性而且具有較低的介電常數(shù)和介電損耗。作為天線罩
材料，氮化硅既具有氧化鋁陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，又具有比熔融石英還好的抗燒蝕性能，能經(jīng)受大于5 馬赫數(shù)飛行條件下的熱沖擊。氮化硼(BN)陶瓷具有比氮化硅陶瓷更好的熱穩(wěn)定性和更低的介 電常數(shù)、介電損耗，而且在很寬的溫度范圍內(nèi)具有極好的熱性能和電性能的穩(wěn)定性。但是， 氮化硼強(qiáng)度較低而且易吸潮，不能單獨(dú)制作天線罩。利用氮化硼、氮化硅各自的優(yōu)點(diǎn)可以制 備出綜合性能優(yōu)異的天線罩復(fù)合材料。
關(guān)于氮化硼/氮化硅復(fù)合材料及其制備工藝已有文獻(xiàn)和專利報(bào)道。據(jù)介紹，法國(guó)己成功采 用氮化硅/氮化硼復(fù)合材料制備天線罩。中國(guó)專利申請(qǐng)CN1569743A (200410023952.1)公開(kāi)了 "氮化硅-氮化硼-二氧化硅陶瓷透波材料及其制備方法"，所述的透波材料的特征在于耐溫性、 耐燒蝕性好，并且具有良好的力學(xué)性能和介電性能，透波率高。張偉儒等，硅酸鹽通報(bào)， 2003(3):3-6，采用氣氛壓力燒結(jié)工藝制備了 Si3N4-BN基陶瓷復(fù)合材料，研究表明含有30% BN復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度為160MPa，彈性模量為99GPa，介電常數(shù)為4.0左右。王思青 等，國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,28(2):44-47，以Si粉、BN粉、Si02粉為主要原料，采用反應(yīng) 燒結(jié)法制備Si3N4基復(fù)相陶瓷材料，結(jié)果表明當(dāng)原料中Si、 BN和^02分別為55%、 30% 和10%時(shí)，材料強(qiáng)度為96.7MPa，斷裂韌性可達(dá)1.80MPa m1/2，同時(shí)材料具有良好的介電性 能及熱物理性能。張強(qiáng)等，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35(3):337-341，以硅粉、六方氮化硼為原料， 采用燃燒合成氣固反應(yīng)法，原位生成氮化硅/氮化硼復(fù)相陶瓷，結(jié)果表明Si3N4/h-BN復(fù)相陶 瓷中以柱狀(3-Si3N4為主相，p-Si3N4晶粒之間為針狀h-BN相。當(dāng)h-BN相含量為15%時(shí)材料 抗彎強(qiáng)度為122MPa。
上述研究通過(guò)氮化硼顆粒與氮化硅復(fù)合雖然在某種程度上提高了氮化硅的介電性能，但 降低了氮化硅的力學(xué)性能。以氮化硼晶須作為第二相加入到氮化硅中，利用氮化硼晶須的結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)可以制備即具有較低介電常數(shù)和介電損耗，又具有較高力學(xué)性能、耐溫性和耐燒蝕性 的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種具有優(yōu)良力學(xué)性能、介電性能、耐溫性能和耐燒蝕 性能的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料；同時(shí)提供其簡(jiǎn)單易行、適合批量生產(chǎn)的制備方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料，原料如下氮化硅60 ％wt.%，氮化硼晶須 5 35wt.。/。和燒結(jié)助劑3 10wt.%。
所述氮化硅為高純亞微米顆粒，a相氮化硅含量不低于93% ,游離硅含量不大于0.3% ，
3粒徑為0.4~0.6微米。
所述氮化硼晶須為長(zhǎng)柱狀單晶，長(zhǎng)徑比40~100，直徑1 3微米。 所述的燒結(jié)助劑選用氧化釔、二氧化硅、氧化鋁、釔鋁石榴石的一種或幾種。 上述氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料采用以下方法制得
將原料氮化硼晶須、氮化硅粉和燒結(jié)助劑混合；加入原料總重量0.5-1.2%的成型添加劑， 球磨制成陶瓷漿料，直接采用注漿成型，或者將漿料干燥、制粉后采用等靜壓工藝成型；成 型坯體經(jīng)干燥后，在5 8MPa氮?dú)鈿夥諌毫ο?700 1850°C、保溫1 3小時(shí)的條件下燒結(jié)。
本發(fā)明所說(shuō)的注漿成型、等靜壓工藝成型均按本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)即可。
所述氮化硼晶須可按專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910020661.X，名稱為一種氮化硼晶須的制備方法 的專利文件制備。
本發(fā)明氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料的制備方法，步驟如下
(1) 將氮化硼晶須、氮化硅、燒結(jié)助劑按比例稱量混合，加入原料總重量0.5-1.2%的成 型添加劑,球磨混合1 2h制成混合均勻的陶瓷漿料；
(2) 將陶瓷漿料經(jīng)處理后采用石膏模具注漿成型，或者將漿料通過(guò)干燥、制粉后得到氮 化硼晶須/氮化硅復(fù)合粉體再采用等靜壓成型；
(3) 所得成型坯體經(jīng)干燥后，在氮?dú)鈿夥諌毫? 8MPa， 1700 185(TC條件下燒結(jié)、 保溫1 3小時(shí)，而后隨爐自然冷卻至室溫，制得氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。
歩驟(2)所述等靜壓成型壓力為100 150MPa。
歩驟(2)采用注漿成型時(shí)，所用成型添加劑為硅酸鈉和碳酸鈉、碳酸鈉和羧甲基纖維素 (CMC)、或者碳酸鈉和阿拉伯樹(shù)膠。添加量?jī)?yōu)選為原料總重量的0.6-1.0%。
歩驟(2)采用等靜壓成型時(shí)，所用成型添加劑為聚乙烯醇或木質(zhì)素。添加量?jī)?yōu)選為原料 總重量的0.5-0.8%。
歩驟(l)球磨按本領(lǐng)域技術(shù)即可。球磨時(shí)需加水一般控制在使?jié){料固含量為40 70wt%。
木發(fā)明氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料的性能指標(biāo)為介電常數(shù)3~4.5;介電損耗角正
切2~4xl(T3;室溫彎曲強(qiáng)度120 300MPa;使用溫度1400~1600°C。
本發(fā)明制備的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料綜合性能優(yōu)異,可用于高性能天線罩的制備。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)及優(yōu)良效果如下
/、本發(fā)明利用氮化硼晶須優(yōu)良的介電性能和結(jié)構(gòu)餘性，與氮化硅復(fù)合制備出綜合性能優(yōu) 異的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。
2、本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。
實(shí)施例1:
1、 將10wt.。/。的氮化硼晶須、85wt.。/。的氮化硅和5wt。/。的燒結(jié)助劑氧化釔，以及原料總重 量0.6%的添加劑聚乙烯醇(平均聚合度1750±50)，加水球磨混合2h，得到混合均勻的漿料。 漿料固含量為60wt%;
2、 將步驟1制得漿料干燥、破碎、過(guò)篩，得到混合粉體。
3、 將歩驟2制得混合粉體放入橡膠模具中，lOOMPa壓力下等靜壓成型。
4、 將步驟3成型的坯體干燥，然后放入氣壓燒結(jié)爐中，在氮?dú)鈿夥諌毫?MPa、溫度為180(TC條件下保溫2小時(shí)燒結(jié)，而后隨爐自然冷卻至室溫，得到氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù) 合材料。
實(shí)施例2:
1、 將20wt。/。的氮化硼晶須、77wt.。/。的氮化硅和3wt。/。的燒結(jié)助劑氧化硅，以及原料總重 量0.7%的添加劑木質(zhì)素(分子量Ixl04 4xl04),加水球磨混合lh,得到混合均勻的漿料，漿料 固含量為55wt%;
2、 將步驟1制得漿料干燥、破碎、過(guò)篩，得到混合粉體。
3、 將步驟2制得混合粉體放入橡膠模具中，lOOMPa壓力下等靜壓成型。
4、 將步驟3成型的坯體千燥,然后放入氣壓燒結(jié)爐中在氮?dú)鈿夥諌毫?MPa、溫度為1700 'C條件下保溫2小時(shí)燒結(jié),而后隨爐自然冷卻至室溫，得到氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。
實(shí)施例3:
1、 將5wt /。的氮化硼晶須、87wt.e/。的氮化硅和8wt。/。的燒結(jié)助劑釔鋁石榴石，以及原料 總重量0.8%的添加劑聚乙烯醇(平均聚合度1750±50)，加水球磨混合2h，得到混合均勻的 漿料,漿料固含暈為65wfM);
2、 將步驟1制得漿料干燥、破碎、過(guò)篩，得到混合粉體。
3、 將步驟2制得混合粉體放入橡膠模具中，120MPa壓力下等靜壓成型。
4、 將步驟3成型的坯體干燥，然后放入氣壓燒結(jié)爐中,在氮?dú)鈿夥諌毫?MPa、溫度為1850 'C條件下保溫3小時(shí)燒結(jié)，而后隨爐自然冷卻至室溫，得到氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。
實(shí)施例4:
1、 將20%氮化硼晶須、72%氮化硅和8%燒結(jié)助劑氧化釔，以及基于原料總重量的0.2% 硅酸鈉和0.6%碳酸鈉，加水球磨混合2h，得到混合均勻的漿料,漿料固含量為60wt%;
2、 將歩驟l制備的漿料緩慢注入石膏模具中成型，而后脫模、干燥，得到坯體。
3、 將步驟2制得坯體在氮?dú)鈿夥諌毫?MPa的條件下，燒結(jié)溫度為175(TC、保溫3小 時(shí)進(jìn)行燒結(jié)，而后隨爐自然冷卻至室溫，最終制備出氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。
實(shí)施例5:
1、 將35%氮化硼晶須、60%氮化硅和5%燒結(jié)助劑釔鋁石榴石，以及基于原料總重量的 0.2%碳酸鈉和0.8%阿拉伯樹(shù)膠(分子量2.5><105),加水球磨混合2h，得到混合均勻的漿料,漿料 固含量50wt%;
2、 將步驟1制備的漿料緩慢注入石膏模具中成型，而后脫模、干燥，得到坯體。
3、 將步驟2制得坯體在氮?dú)鈿夥諌毫?MPa的條件下，燒結(jié)溫度為1S0(TC、保溫1小 時(shí)進(jìn)行燒結(jié)，而后隨爐自然冷卻至室溫，最終制備出氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。
以上實(shí)施例l-5的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料有關(guān)性能數(shù)據(jù)如下表
彎曲強(qiáng)度MPa斷裂韌性MPa'm"2顯氣孔率％表觀密度g/cm3介電常數(shù)
實(shí)施例1198.93.3632.92.873.82
實(shí)施例2119.51.7539.62.573.58
實(shí)施例3308.04.2325.12.994.08
實(shí)施例4176.33.0434.52.733.68
實(shí)施例5154.52.6836.82.653.63
權(quán)利要求
1、一種氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料，其特征在于原料如下氮化硅60～90wt.％，氮化硼晶須5～35wt.％和燒結(jié)助劑3～10wt.％；所述氮化硅為高純亞微米顆粒，α相氮化硅含量不低于93％，游離硅含量不大于0.3％，粒徑為0.4～0.6微米；所述氮化硼晶須為長(zhǎng)柱狀單晶，長(zhǎng)徑比40～100，直徑1～3微米；所述的燒結(jié)助劑選用氧化釔、二氧化硅、氧化鋁、釔鋁石榴石的一種或幾種；是按以下方法制得將原料氮化硼晶須、氮化硅粉和燒結(jié)助劑混合；加入原料總重量0.5-1.2％的成型添加劑，球磨制得陶瓷漿料，直接采用注漿成型，或者將漿料干燥、制粉后采用等靜壓工藝成型；成型坯體經(jīng)干燥后，在5～8MPa氮?dú)鈿夥諌毫ο?700～1850℃、保溫1～3小時(shí)的條件下燒結(jié)。
2. 權(quán)利要求1所述的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料的制備方法，步驟如下(1) 將氮化硼晶須、氮化硅、燒結(jié)助劑按比例稱量混合，加入原料總重量0.5-1.2%的成 型添加劑，球磨1 2h制得混合均勻的陶瓷漿料；(2) 將陶瓷漿料經(jīng)處理后采用石膏模具注漿成型，或者將漿料通過(guò)干燥、制粉后得到氮 化硼晶須/氮化硅復(fù)合粉體再采用等靜壓成型；(3) 所得成型坯體經(jīng)干燥后，在氮?dú)鈿夥諌毫? 8MPa， 1700 1850。C條件下燒結(jié)、 保溫1 3小時(shí)，而后隨爐自然冷卻至室溫，制得氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。
3. 如權(quán)利要求2所述的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料的制備方法,其特征在于步驟(2)所 述等靜壓成型壓力為100 150MPa。
4. 如權(quán)利要求2所述的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料的制備方法,其特征在于步驟(2)采 用注漿成型時(shí)，所用成型添加劑為硅酸鈉和碳酸鈉、碳酸鈉和羧甲基纖維素(CMC)、或者碳 酸鈉和阿拉伯樹(shù)膠。
5. 如權(quán)利要求2所述的氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料的制備方法,其特征在于步驟(2)采 用等靜壓成型時(shí)，所用成型添加劑為聚乙烯醇或木質(zhì)素。
全文摘要
一種氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。將氮化硼晶須、氮化硅粉、燒結(jié)助劑和其他添加劑球磨混合得到陶瓷漿料；采用注漿成型，或者將漿料干燥、制粉后采用冷等靜壓工藝成型；成型坯體經(jīng)干燥后，在5～8MPa氮?dú)鈿夥諌毫ο?700～1850℃、保溫1～3小時(shí)的條件下燒結(jié)，制得氮化硼晶須/氮化硅陶瓷復(fù)合材料。該復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)良、介電性能好、耐溫性和耐燒蝕性好，可以用于高性能天線罩的制備；同時(shí)該材料的制備方法簡(jiǎn)單易行、適合批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101555156SQ20091001525
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者張玉軍, 李建權(quán), 譚砂礫, 林 趙, 趙東亮, 馬富英, 龔紅宇 申請(qǐng)人:山東大學(xué)