[发明专利]非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

硅硼碳氮陶瓷复合材料是一种新型的高温防热结构材料，从首次合成到现在虽然仅仅10余年时间，但因其具有密度低、强度高、弹性模量低、抗氧化性好、热膨胀系数低和稳定使用温度高等优越的性能吸引了很多研究人员的关注。但在以往的研究中，众多研究报告和专利侧重于利用首先合成有机先驱体，然后在缓慢裂解生成无机粉末，最后再制备陶瓷材料，这些专利分别是US2005/0026769A1、WO9606813-A、DE4447534-A1、DE19741458-A1、DE19741459-A1、DE19741460-A1。利用此路线合成的非晶硅硼碳氮陶瓷复合材料具有较高的性能，但是存在以下缺点：1、有机前驱体制备非晶硅硼碳氮陶瓷复合材料的步骤复杂，工艺难于控制，合成环境要求严格，从原料保存、合成过程以及合成有机先驱体后的各个步骤均需在高度无水无氧的环境下操作，并且合成过程缓慢；2、利用有机前驱体制备非晶硅硼碳氮陶瓷复合材料产率低，单次合成量少，而且在部分有机合成过程中的生成的固体副产品不容易去除；3、裂解方法制备硅硼碳氮陶瓷过程中要求裂解速度仅为1℃/分钟，裂解温度高需要达1400℃左右，且每次裂解的量少，并要求是在高纯的惰性气体保护下操作，控制较为困难；4、采用裂解方法获得的硅硼碳氮陶瓷无法实现致密化，为多孔材料，不能有效满足实际使用要求；5.有机合成的原料价格较高。这些缺点极大的限制了硅硼碳氮陶瓷复合材料在工程方面的大规模应用。GuojunZhang等研究人员提出的“原位合成SiC-BN复合陶瓷”是一种晶态的复合材料，其制备简单，但是其性能较非晶态的硅硼碳氮陶瓷复合材料有较大差距，性能较差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的硅硼碳氮陶瓷复合材料性能差、制备工艺复杂、成本高的问题，而提供了非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料按照Si:C:B摩尔比为2:3:1的比例由纯度为99%~99.9%的硅粉、纯度为99%~99.9%的石墨和纯度为99%~99.9%的六方氮化硼制成，其中硅粉、石墨和六方氮化硼粒径均为1~20μm。

本发明非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法按照以下步骤进行：一、按照Si:C:B摩尔比为2:3:1的比例称取纯度为99%~99.9%的硅粉、纯度为99%~99.9%的石墨和纯度为99%~99.9%的六方氮化硼，其中硅粉、石墨和六方氮化硼粒径均为1~20μm；二、将步骤一称取的原料放入到球磨机中在氩气保护下进行球磨，球料质量比为5~100:1，磨球直径为3~10mm，球磨时间为1~50小时，即得到非晶态包裹纳米晶的复合粉末；三、步骤二得到的非晶态包裹纳米晶的复合粉末进行放电等离子烧结或热压烧结，即得到了非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料。该方法制备得到的非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料经检测可知，本发明非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的抗弯强度为310~319MPa，弹性模量为134~138GPa，硬度为3.9~4.3GPa，断裂韧性为3.31MPa·m^1/2左右，本发明非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的在1200℃的干燥空气中保温85小时，复合材料氧化增重小于0.8mg/cm²，此时的氧化层厚度<10μm，在1050℃的潮湿空气（绝对湿度为0.816g/cm³）中保温85小时，复合材料氧化增重小于0.6mg/cm²，此时的氧化层厚度<21μm（本发明制备得到的非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的颗粒大小为2~50nm），在1000℃和1400℃空气中的抗弯强度分别为286~289MPa和224~228MPa,本发明的非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料具有优异的高温抗氧化性能和耐高温性能。