專利名稱：一種以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
硅硼碳氮陶瓷作為一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，由于存在較多的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，賦予了材料較高的熱穩(wěn)定性、抗氧化性以及抗蠕變等性能。但是，利用有機(jī)先驅(qū)體制備的硅硼碳氮陶瓷，在1500°C氧化超過M小時(shí)，原本非晶態(tài)的氧化層就會(huì)結(jié)晶，并伴有氣泡的產(chǎn)生。為了改進(jìn)氧化層的質(zhì)量，人們制備出了硅硼碳氮鋁陶瓷體系，希望通過形成41203鄺203/5102玻璃態(tài)物質(zhì)，以阻止硼的揮發(fā)和氣泡的產(chǎn)生，從而達(dá)到改進(jìn)硅硼碳氮陶瓷的抗氧化性的目的。 實(shí)驗(yàn)表明，鋁的加入的確對(duì)氧化行為產(chǎn)生了有利的影響，它可以有效阻止硅硼碳氮陶瓷高溫氧化時(shí)氧化層中常常出現(xiàn)的開裂和氣泡現(xiàn)象。目前制備硅硼碳氮鋁材料主要采用首先合成有機(jī)先驅(qū)體，然后再緩慢裂解生成無機(jī)粉末，最后再制備陶瓷材料的方法。雖然此方法制備的材料具有組織均勻，性能高等特點(diǎn)，但該方法卻有原材料來源少、價(jià)格高(致使成本增加)，合成步驟復(fù)雜，工藝難于控制， 合成條件苛刻，產(chǎn)量低，難于制造大尺寸塊體陶瓷材料等缺點(diǎn)，因而成為其在實(shí)際應(yīng)用方面的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有制備硅硼碳氮鋁材料的方法存在成本高、工藝復(fù)雜和難于制造大尺寸塊體陶瓷材料的問題，而提供了一種以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法。以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、稱取純度為99% 99. 9%的立方硅粉(c-Si)、純度為98% 99. 9%的六方氮化硼(h-BN)、純度為99% 99. 9%的石墨(C)和純度為98% 99. 9%的氮化鋁粉(AlN) 為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C AlN = 1 0. 5 1. 5 0. 3 ；二、將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨 10 100h，得到非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末；三、非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為 1500 2000°C、壓強(qiáng)為10 60MPa的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)10 40min，即完成以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 15 μ m;步驟二氮化硅球磨罐中的球料比為 10 100 1 ；步驟二中球磨的參數(shù)為主盤轉(zhuǎn)速100 400r/min，行星盤相對(duì)轉(zhuǎn)速400 1600r/mino本發(fā)明提出用機(jī)械合金化后熱壓燒結(jié)的方法制備硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料，具有制備過程簡單、工藝可控、能夠制造大尺寸塊體陶瓷材料、成本低、產(chǎn)量高，適于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可成為開發(fā)硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料在工業(yè)中應(yīng)用的有效手段。
本發(fā)明制備所得非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料，經(jīng)測試，其抗彎強(qiáng)度為 429 530MPa，彈性模量為178 226GPa，斷裂韌性為3. 6 5. 6MPa · m1/2，硬度為11. 9 13. OGPa，密度為 2. 76 2. 95g/cm3。


圖1為具體實(shí)施方式
十中所得非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末的XRD譜圖；圖2為具體實(shí)施方式
十中所得非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末的高分辨電鏡圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、稱取純度為99% 99. 9%的立方硅粉(C-Si)、 純度為98% 99. 9%的六方氮化硼(h-BN)、純度為99% 99. 9%的石墨(C)和純度為 98% 99. 9%的氮化鋁粉(AlN)為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C AlN = 1 0.5 1.5 0.3 ；二、將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨10 100h，得到非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末；三、非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為1500 2000°C、壓強(qiáng)為10 60MPa的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)10 40min，即完成以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 15μπι;步驟二氮化硅球磨罐中的球料比為 10 100 1 ；步驟二中球磨的參數(shù)為主盤轉(zhuǎn)速100 400r/min，行星盤相對(duì)轉(zhuǎn)速400 1600r/mino本實(shí)施方式步驟二中主盤與行星盤的轉(zhuǎn)向是相反的。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟二中將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨10h。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟二中將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨100h。 其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟二中將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨20 80ho其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟二中將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨50h。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟三中非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為1500°C、壓強(qiáng)為IOMI5a的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)40min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟三中非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為2000°C、壓強(qiáng)為60MPa的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)lOmin。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟三中非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為1600 1900°C、壓強(qiáng)為20 50MPa的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)20 30min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟三中非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為1800°C、壓強(qiáng)為30MPa的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)25min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、稱取純度為99. 5%的立方硅粉(c-Si)、純度為 98%的六方氮化硼(h-BN)、純度為99. 9%的石墨(C)和純度為99. 9%的氮化鋁粉(AlN)為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C AlN = 1 0. 5 1. 5 0. 3 ；二、將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨30h， 得到非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末；三、非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為1800°C、壓強(qiáng)為30MPa的氬氣氣氛下進(jìn)行熱壓燒結(jié)30min，即完成以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 15 μ m;步驟二氮化硅球磨罐中的球料比為 50 1 ；步驟二中球磨的參數(shù)為主盤轉(zhuǎn)速350r/min，行星盤相對(duì)轉(zhuǎn)速400r/min。本實(shí)施方式制備所得非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料，經(jīng)測試，其抗彎強(qiáng)度為429MPa，彈性模量為178GPa，斷裂韌性為3. 6MPa ·πιιΛ，硬度為13. OGPa，密度為2. 76g/
3
cm ο本實(shí)施方式步驟二中所得非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末，從其XRD譜圖(圖1)和高分辨電鏡圖(圖幻可證明確實(shí)為非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、稱取純度為99. 5%的立方硅粉(c-Si)、純度為98%的六方氮化硼(h-BN)、純度為99. 9%的石墨(C)和純度為99. 9%的氮化鋁粉(AlN) 為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C AlN= 1 0. 5 1. 5 0. 3 ；二、將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨80h， 得到非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末；三、非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為1800°C、壓強(qiáng)為30MPa的氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)35min，即完成以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 15 μ m;步驟二氮化硅球磨罐中的球料比為 30 1 ；步驟二中球磨的參數(shù)為主盤轉(zhuǎn)速350r/min，行星盤相對(duì)轉(zhuǎn)速500r/min。本實(shí)施方式制備所得非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料，經(jīng)測試，其抗彎強(qiáng)度為530MPa，彈性模量為2^GPa，斷裂韌性為5. 6MPa ·πιιΛ，硬度為11. 9GPa，密度為2. 95g/
3
cm ο
權(quán)利要求
1.一種以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、稱取純度為99 % 99. 9 %的立方硅粉、純度為98 % 99. 9 %的六方氮化硼、純度為99% 99. 9%的石墨和純度為98% 99. 9%的氮化鋁粉為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C AlN = 1 0. 5 1. 5 0. 3 ；二、將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨10 100h，得到非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末；三、非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為1500 2000°C、壓強(qiáng)為10 60MPa的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)10 40min，即完成以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 15 μ m ；步驟二氮化硅球磨罐中的球料比為10 100 1 ；步驟二中球磨的參數(shù)為主盤轉(zhuǎn)速100 400r/min，行星盤相對(duì)轉(zhuǎn)速400 1600r/mino
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨20 80h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中將稱取的原料和氮化硅磨球共同放入氮化硅球磨罐中，在氬氣保護(hù)下采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨50h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三中非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為 1600 1900°C、壓強(qiáng)為20 50MPa的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)20 30min。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三中非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末置于燒結(jié)溫度為 1800°C、壓強(qiáng)為30MPa的氬氣或氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱壓燒結(jié)25min。
全文摘要
一種以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，它涉及一種硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法。它解決了現(xiàn)有制備硅硼碳氮鋁材料的方法存在成本高、工藝復(fù)雜和難于制造大尺寸塊體陶瓷材料的問題。方法一、稱取立方硅粉、六方氮化硼、石墨和氮化鋁粉為原料；二、原料球磨，得到非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末；三、非晶態(tài)的硅硼碳氮鋁粉末進(jìn)行氣氛熱壓燒結(jié)即完成。本發(fā)明具有制備過程簡單、工藝可控、能夠制造大尺寸塊體陶瓷材料、成本低、產(chǎn)量高，適于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可成為開發(fā)硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料在工業(yè)中應(yīng)用的有效手段；所得以氮化鋁粉為鋁源的非晶和納米晶硅硼碳氮鋁陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能好。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102173804SQ201110027089
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者葉丹, 周玉, 孟慶昌, 張培峰, 楊治華, 段小明, 賈德昌 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)