[发明专利]一种原位氮化制备含六方氮化硼的复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原位氮化制备含六方氮化硼(h-BN)的复合材料的方法，更确切地说涉及一种活性填料原位氮化制备含h-BN复合材料的方法，属于非氧化物陶瓷材料领域。

背景技术

h-BN是一种重要的工程材料。它具有热导率高，热膨胀系数小，抗热振性能好，耐高温，耐腐蚀，化学及热稳定性能优异，电绝缘性能好的优点，在冶金，电子，化工和原子能等领域有着广阔的应用前景。h-BN因为具有结构和性质上的各向异性以及低的弹性模量，所以常被添加到其他的材料中制备成复合材料以提高材料抗热振性和可加工性。但是因h-BN是一种共价键很强的化合物，其固相扩散系数低，所以常规的烧结方式难以制备六方氮化硼陶瓷材料。即使利用热压烧结的方法在h-BN的含量较高或无液相存在的情况下也难以得到致密度较高的陶瓷材料。

简科等人研究了采用硼粉作为活性填料在先驱体制备纤维增强陶瓷基复合材料中的影响，所制备的样品中含有部分B₄C，但是因为在其制备过程中在150℃空气中进行交联，从而使所制备的样品中存在大量的B₂O₃。

本发明试图通过采用硼粉作为活性填料与惰性陶瓷粉体及有机前驱体混合，利用煅烧过程中活性填料硼粉与有机前驱体裂解产物或保护气氛发生原位反应形成h-BN相的方法制备含h-BN复合材料。该方法能够在常压且相对较低的温度下制备含h-BN的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过活性填料硼粉原位氮化的方法制备含h-BN复合材料的方法，具有工艺简单，重复性强、成本较低以及制备条件相对温和的优点。本发明的特征在于利用活性填料硼粉在煅烧过程中与有机前驱体的裂解产物以及保护气氛之间发生原位氮化反应生成h-BN。该方法具有工艺简单，重复性强、成本较低以及制备条件相对温和的优点。

本发明提出的活性填料原位氮化生成含h-BN的复合材料包括粉体和块体两种，其具体工艺步骤是：

1.将活性填料硼粉、有机前驱体或将活性填料、有机前驱体和陶瓷粉体(惰性填料)通过湿法球磨的方式混合均匀形成浆料，采用的溶剂为非水溶剂。硼粉质量百分含量为粉体总含量的1-30％，有机前驱体质量百分含量为0-70％；

2.在10^-1-10^-2乇的低真空条件下对步骤1所制备的浆料进行干燥，干燥过程中要避免活性填料与空气中的水蒸气反应。干燥后的粉体通过研磨和过筛后密封保存；

3.将步骤2中过筛后的粉体在2-20MPa下先进行干压成型，然后再通过100-300MPa冷等静压形成坯体；

4.a)将步骤2中的粉体在N₂或NH₃保护下于1300-1800℃进行高温原位氮化反应，有机前驱体发生裂解的同时，使活性填料与前驱体的裂解产物和保护气氛发生反应生成h-BN，氮化反应时间为1-5h；升温速率为10-30℃/min；或活性填料和保护气氛N₂或NH₃直接氮化反应生成h-BN；

在原位氮化反应过程中，有机前驱体发生分解，释放出一些碳氢氧化合物。活性填料将与裂解产物及保护气氛发生如下反应生成h-BN：

B+CxHy→B_zC           (1)

B_zC+N₂(NH₃)→h-BN     (2)

或B+N₂(或NH₃)→h-BN   (3)

b)将步骤3形成的坯体在N₂或NH₃保护下于1300-1800℃进行高温氮化反应，使有机前驱体发生裂解的同时，活性填料与前驱体的裂解产物反应和保护气氛反应生成h-BN反应式或与坯体中的活性填料直接与N₂或NH₃氮化反应；氮化反应时间为1-5h，升温速率为1-15℃/min；或经一次裂解，高温氮化反应后再通过多次相同的有机前驱体浸渍裂解，高温氮化反应进一步致密化；

所述的惰性填料即陶瓷粉体包括SiC、Si₃N₄、AlN、ZrC、ZrB₂或Al₂O₃；

所述的保护气氛为N₂或NH₃；

所述的有机前驱体为聚碳硅烷或酚醛树脂，所谓表面分散剂和粘结剂使用；