一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料及其制备方法

摘要

一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料及其制备方法。以氮化硼纤维作为增强相，以堇青石粉体为原材料，经过混料、成型及烧结即可获得特定型状的陶瓷材料及构件。方法：制备堇青石粉体浆料；氮化硼纤维预处理；将堇青石粉体浆料与氮化硼纤维分散液混合；去除溶剂；装模成型；热压烧结，得到氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料。本发明制备的氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料的抗弯强度为68～176MPa，断裂韧性为2.2～3.7MPa·m1/2，弹性模量为76～143GPa，而且具有优异的介电性能，介电常数ε‑3。本发明获得的具有良好力学性能的耐高温透波材料，可大规模的、直接制备加工余量较小的异型结构件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料及其制备方法，本发明属于防热陶瓷技术领域，特别适用于制备各种高强度防热透波陶瓷。

背景技术

堇青石化学式为Mg₂Al₄Si₅O₁₈，主要有两种晶型，即高温α型和低温β型。高温α型堇青石具有密度低、热膨胀系数小(约为2.0×10^-6℃^-1)、优异的高温稳定性、良好的介电性能和红外辐射能力、优异的化学稳定性等，因而在航空航天工业以及汽车、环保、冶金、化工和电子工业等对耐高温性能和热膨胀性能要求严格的领域获得越来越多的应用。

由于堇青石突出的性能，使其成为一种应用领域十分广泛的重要材料。如在化工、冶金工业中被制成耐酸蚀容器，热板，火焰喷嘴，钢包浇注口等。在航空航天领域，可用于制造导弹天线罩、天线窗盖板、导弹端头帽和航天飞机防热瓦等高技术部件。如美国海军的“小猎犬”导天线罩，即采用康宁公司研发的以堇青石为主晶相的牌号为9606微晶玻璃的材料所制成。但是由于纯堇青石陶瓷其本质脆性、强度低、断裂韧性低，对应力集中和微裂纹敏感，在实际的工程应用中受到很大的限制。为改善堇青石陶瓷材料在力学性能方面的劣势，通常使用纤维作为增强体，制备复合材料以提高其弯曲强度和断裂韧性，降低其对应力集中和微裂纹的敏感性。纤维增强复合材料的设计与制备需要考虑增强体与基体的物理化学差异性，如两者的热膨胀系数、高温下的析晶情况、高温稳定性和界面反应等。目前通常使用的纤维，其形式多为连续纤维，而纤维材料多为碳或碳化硅。使用连续纤维可以很大程度上改善其力学性能，然而制备工艺复杂、通常难以制备结构复杂的构件，在很大程度上限制了其在工程领域的广泛应用。而且碳和碳化硅纤维，由于自身的电学性质，对复合材料的介电性能有很大影响，使得其在航天透波领域方面的应用严重受限。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料，堇青石粉体与氮化硼纤维的体积比为A:B，其中A+B＝100，且5≤B≤50。

一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料的制备方法，

步骤一、制备堇青石粉体浆料：将采用溶胶-凝胶法制备的堇青石粉体置于球磨罐内，按球料质量比3～6：1的比例放入磨球，再向球磨罐内加入无水乙醇，然后在球磨速度为30r/min～60r/min条件下球磨湿混6h～36h，得到堇青石粉体浆料，堇青石粉体浆料中堇青石粉体的质量分数为25％～55％；

步骤二、氮化硼纤维的预处理：将直径为2～10μm的氮化硼纤维进行剪切，得到长度为3～5mm的氮化硼纤维；将长度为3～5mm的氮化硼纤维浸入到丙酮中清洗24～48h，获得除油、除胶后的长度为3～5mm的氮化硼纤维；以无水乙醇作为分散剂，将清洗后的长度为3～5mm的氮化硼纤维分散到无水乙醇中，再在超声功率为200～300W条件下超声分散15～30min，得到氮化硼纤维分散液；

步骤三、将堇青石粉体浆料与氮化硼纤维分散液混合：将氮化硼纤维分散液分3～6次加入到堇青石粉体浆料中，再在超声功率为200～300W条件下超声分散处理15～30min，得到堇青石粉体与氮化硼纤维的混合浆料；

步骤四、去除溶剂：将堇青石粉体和氮化硼纤维的混合浆料在空气气氛下，温度为60～80℃、搅拌速度为5～10r/min条件下进行搅拌，去除堇青石粉体和氮化硼纤维的混合浆料中的溶剂，得到堇青石粉体和氮化硼纤维复合坯料；

步骤五、装模成型：室温条件下将堇青石粉体和氮化硼纤维复合坯料装入到石墨模具中，在预压压力2～5MPa条件下预压1～3min，即得到具有特定形状的堇青石粉体和氮化硼纤维复合坯料；

步骤六、热压烧结：将预压后的具有特定形状的堇青石粉体和氮化硼纤维复合坯料在烧结气氛为氮气气氛、烧结气氛压力为0.15～0.25MPa和升温速率为15～30℃/min的条件下从室温升温至1000～1400℃,并在烧结气氛为氮气气氛、烧结压力为10～30MPa和烧结温度为1000～1400℃下保温15～60min，保温结束后随炉冷却至室温，得到氮化硼纤维增强堇青石复合材料。

本发明利用短切氮化硼(BN)纤维增强堇青石陶瓷，具有以下优势：1，BN纤维的分解温度为3000℃，并且具有优异的介电性能，其介电常数和介电损耗角正切值分别为3和2×10^-4，是一种理想的耐高温透波材料；2，制备成型工艺简单，且可通过模型设计近净尺寸成型，采用无压或热压烧结即可获得构件，减少了后续的加工。

附图说明

图1为实施例一制备的复合材料的XRD衍射图。

图2为实施例一制备的复合材料的介电常数及介电损耗角正切值图。

图3为实施例一制备的复合材料的断口形貌图。

由图中可以看出，复合材料的物相由α-堇青石和h-BN组成，在22GHz至36GHz频段范围内的介电常数ε<4.1，介电损耗角正切值<4.0×10^-3，复合材料的抗弯强度达到125MPa，断裂韧性为2.9MPa·m^1/2，弹性模量为98GPa，在断裂过程中有明显的纤维拔出迹象，可有效的起到强韧化作用。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料，堇青石粉体与氮化硼纤维的体积比为A:B，其中A+B＝100，且5≤B≤50。

一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料，堇青石粉体与氮化硼纤维的体积比为94:6。

一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料，堇青石粉体与氮化硼纤维的体积比为55:45。

一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料的制备方法，步骤如下：

步骤一、制备堇青石粉体浆料：将采用溶胶-凝胶法制备的堇青石粉体置于球磨罐内，按球料质量比3～6：1的比例放入磨球，再向球磨罐内加入无水乙醇，然后在球磨速度为30r/min～60r/min条件下球磨湿混6h～36h，得到堇青石粉体浆料，堇青石粉体浆料中堇青石粉体的质量分数为25％～55％。

步骤二、氮化硼纤维的预处理：将直径为2～10μm的氮化硼纤维进行剪切，得到长度为3～5mm的氮化硼纤维；将长度为3～5mm的氮化硼纤维浸入到丙酮中清洗24～48h，获得除油、除胶后的长度为3～5mm的氮化硼纤维；以无水乙醇作为分散剂，将清洗后的长度为3～5mm的氮化硼纤维分散到无水乙醇中，再在超声功率为200～300W条件下超声分散15～30min，得到氮化硼纤维分散液。

步骤三、将堇青石粉体浆料与氮化硼纤维分散液混合：将氮化硼纤维分散液分3～6次加入到堇青石粉体浆料中，再在超声功率为200～300W条件下超声分散处理15～30min，得到堇青石粉体与氮化硼纤维的混合浆料。

步骤四、去除溶剂：将堇青石粉体和氮化硼纤维的混合浆料在空气气氛下，温度为60～80℃、搅拌速度为5～10r/min条件下进行搅拌，去除堇青石粉体和氮化硼纤维的混合浆料中的溶剂，得到堇青石粉体和氮化硼纤维复合坯料。

步骤五、装模成型：室温条件下将堇青石粉体和氮化硼纤维复合坯料装入到石墨模具中，在预压压力2～5MPa条件下预压1～3min，即得到具有特定形状的堇青石粉体和氮化硼纤维复合坯料。

步骤六、热压烧结：将预压后的具有特定形状的堇青石粉体和氮化硼纤维复合坯料在烧结气氛为氮气气氛、烧结气氛压力为0.15～0.25MPa和升温速率为15～30℃/min的条件下从室温升温至1000～1400℃,并在烧结气氛为氮气气氛、烧结压力为10～30MPa和烧结温度为1000～1400℃下保温15～60min，保温结束后随炉冷却至室温，得到氮化硼纤维增强堇青石复合材料。

步骤一中，所述的堇青石粉体粒径为2.5～5μm。

步骤二中，所述的氮化硼纤维为六方相(h-BN)。

步骤一中，所述的堇青石粉体浆料中堇青石粉体的质量分数为45％。

步骤一中，球磨速度为49r/min条件下球磨湿混21h。

步骤三所述的堇青石粉体与氮化硼纤维的混合浆料中，堇青石粉体与氮化硼纤维的体积比为A:B，其中A+B＝100，且5≤B≤50。

步骤六中烧结气氛为氮气气氛、烧结气氛压力为0.1,9MPa、升温速率为22℃/min的条件下从室温升温至1360℃,烧结压力为17MPa和烧结温度为1380℃下保温40min。

实施例1

本实施例采用热压烧结工艺，以氮化硼纤维和堇青石粉体为原材料，即可获得一种氮化硼纤维增强堇青石陶瓷基复合材料；

步骤一中球料比为3:1，球磨转速为30r/min，湿混时间为24h，堇青石粉体浆料中堇青石粉体的质量分数为35％。

步骤二中氮化硼纤维直径为6μm，长度为3.5mm，在丙酮中的清洗时间为24h，超声功率2为200W，分散时间为20min，氮化硼纤维与无水乙醇的质量比为1：200。

步骤三中将氮化硼纤维分散液分6次加入到堇青石粉体浆料中，再在超声功率为200W下超声分散处理30min，堇青石粉体与氮化硼纤维的体积比为70:30。

步骤四中温度为60℃，搅拌速度为10r/min。

步骤五中在预压压力为2MPa，预压时间为3min。

步骤六中烧结气氛压力为0.15MPa，升温速率为15℃/min升温至1250℃,烧结压力为30MPa，烧结温度为1250℃下保温15min。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。