[发明专利]一种氮化硼块体陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高纯度高致密度氮化硼块体陶瓷及其制备方法，该材料全由其陶瓷先驱体硼吖嗪及其聚合物转化而来，不含碳等杂质元素，所制备的氮化硼陶瓷属于特种功能陶瓷技术领域。

背景技术

航空、航天、电子、冶金和国防等众多高科技领域的高速发展对高性能材料提出了越来越迫切的需求。六方氮化硼陶瓷（h-BN）是一种具有良好综合性能的人工合成陶瓷，密度为2.2 g/cm³，分解温度高达3000℃。氮化硼陶瓷具有很强的化学惰性，与大部分金属不浸润，在冶金领域有重要应用；具有优异的耐高温、抗氧化和耐摩擦性能，是航空制动系统摩擦材料的理想候选材料；具有很高的电击穿强度和热导率，在半导体器件、集成电路上应用广泛；同时，具有良好的高温介电和透波性能，在天线窗等航天透波防热材料上具有重要应用潜力。

现有氮化硼陶瓷的制备方法主要有高温烧结法、化学气象沉积法和先驱体转化法。

高温烧结法的制备过程是先将氮化硼陶瓷粉末压制成坯体，再经高温、高压烧结制得陶瓷块体（R.T. Paine et al. Chem. Rev. 1990, 90: 73-91）。其优点是方法简单、效率高。但也存在明显缺点，首先，高温高压对烧结设备和成本要求高，且难以制备复杂构件；其次，为促进烧结，还常需加入氧化硼等烧结助剂，从而引入了杂质，影响陶瓷的高温力学及介电性能。

US 5116589 公开了一种以热等静压方法制备高致密度六方氮化硼陶瓷的方法，初始粉体中氧含量在0.5%以下，热等静压的烧结温度为1800℃，压力为206.8MPa，所制备的氮化硼陶瓷密度为2.21g/cm³，该方法还可制备较为复杂的构件，但是对设备的要求很高。

申请号为200510019118.X 的中国专利公开了一种低温快速制备高纯六方氮化硼陶瓷材料的方法，将纯度大于98 % 的六方氮化硼粉末经30～40 MPa预压后，在氮气气氛下（压力1.05～1.08大气压），并施加40～60 MPa的单向热压压力，以150～180℃/min的速度升温到1650～1750℃烧结20～30min，制备出致密度大于95%的高纯度的六方氮化硼陶瓷。该方法烧结时间短、温度低，工艺过程快，致密度高，但难以制备复杂构件。

申请号为201410393724.7的中国专利申请公开了一种高致密度六方氮化硼陶瓷材料的制备方法，该方法采用正硅酸乙酯为原料在h-BN粉体表秒包覆均匀分散的SiO₂纳米粒子层，然后采用无压烧结制得h-BN陶瓷，其相对致密度在80%以上。该制备方法操作简单，工艺条件容易控制，成本低廉，但是陶瓷中引入了新的SiO₂第二项，且陶瓷致密度较低。

申请号为201410422994.6的中国专利申请公开了一种无压烧结制备高纯六方氮化硼陶瓷的方法，将商业六方氮化硼采用双向加压成型，再经冷等静压成型；烧结过程先在马弗炉中空气气氛下480～680℃预烧，后在氮气下2000～2200℃无压烧结，制备获得高纯六方氮化硼陶瓷，其具有耐高温性好、导热性好、抗热震性好、已加工成复杂形状部件等特点，且制备工艺简单，生产成本低，适合工业化生产。但同时烧结温度高，致密度也不太高。

化学气象沉积法主要是分别以BCl₃ 和NH₃为B源和N源，在高温下沉积制得致密、高纯度的热解氮化硼陶瓷（PBN）；但由于反应过程影响因素众多，工艺参数控制复杂，制备温度需达到2000℃以上，对设备要求标准极高，目前全世界只有少数单位能够实现批量生产。

US 4690841，US 5075055，CN 105809/A，CN 101048531A 及CN 102586754A 等专利公开了以BCl₃-NH₃-N₂为原料气，在1300～2100℃，160～2600Pa的范围内，制备PBN坩埚及保护涂层的详细过程；系统研究了温度、气压和原料气浓度的变化对PBN热力电性能及微观结构的影响，实现了对工艺参数的精确控制，成功进行了工业化生产。

V. N. Demin等人 (V. N. Demin et.al. J. Vacuum Sci. Technol. A, 2000,18:94-98) 则以硼吖嗪为单组元先驱体，有效降低了沉积温度，在温度为1750℃，压力为4Torr的条件下沉积得到密度为2.15 g/cm³，h-BN含量为88%的PBN。