[发明专利]一种硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种硅硼碳氮陶瓷复合材料及制备方法，所述硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法，具体步骤为：将硅粉、石墨粉和六方氮化硼粉混合，并在球磨罐中进行球磨，得到SiBCN非晶粉末；将所述SiBCN非晶粉末与钛增强相粉末混合，并在球磨罐中进行球磨，得到复合粉体；其中，所述钛增强相粉末包括TiB₂粉和TiC粉，或，TiB和TiB₂混合粉；将所述复合粉体进行热压烧结，得到所述硅硼碳氮陶瓷复合材料。本发明通过采用钛增强相作为增强相用于补强增韧硅硼碳氮陶瓷基体，可以显著提高硅硼碳氮陶瓷复合材料的抗弯强度与断裂韧性。

技术领域

本发明涉及航空航天高温结构材料制造技术领域，特别涉及一种硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

航空航天技术的飞速发展，对高温结构材料的服役性能提出了更为苛刻的要求。高温结构材料常用作飞行器的鼻锥、机翼前缘、发动机整流罩、涡轮叶片、喷管等，面临严酷高温、热震、烧蚀和气流冲刷的恶劣环境，故要求具有良好的耐烧蚀、耐冲刷和抗氧化等性能。如高超音速飞行器的关键部件鼻锥，需要在空气中承受1500℃的高温；大功率涡轮发动机的叶片和排气管要求能在1650℃高温下长时间工作。近年来，硅硼碳氮作为一种新型的四元结构陶瓷，以其独特的组织结构和优异的高温性能引起了国内外学者的广泛关注。硅硼碳氮陶瓷能够在1500℃以下保持非晶态，1500～1900℃氩气气氛中高温处理时会发生析晶，变成以碳化硅、氮化硅和硼氮碳相为主要物相的非晶/纳米晶陶瓷，同时硅硼碳氮纤维在2000℃左右几乎不发生失重，具有优异的高温稳定性，有望作为在1500℃乃至更高温度下稳定服役的备选材料之一。

但因硅硼碳氮陶瓷本质的脆性，大大限制了其的应用范围。为了改善其韧性，通常在陶瓷基体中添加增强相制备复合材料，如今用于硅硼碳氮陶瓷的主要增强体包括碳纳米管、碳化硅颗粒、硼化锆以及石墨烯等。但是添加碳化硅颗粒、硼化锆和石墨烯等颗粒作为增强相时，存在硼化锆比重较大、石墨烯高温有氧环境中易氧化等不足。

因此，寻求更合适的增强相对硅硼碳氮陶瓷进行补强增韧，对推动其在航天高温结构件上的应用具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法，以解决现有硅硼碳氮陶瓷复合材料强度较低、韧性不足、硼化锆增强相比重较大、石墨烯增强相高温有氧环境中易氧化致材料高温性能下降等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法，具体步骤为：

S1、将硅粉、石墨粉和六方氮化硼粉混合，并在球磨罐中进行球磨，得到SiBCN非晶粉末；

S2、将所述SiBCN非晶粉末与钛增强相粉末混合，并在球磨罐中进行球磨，得到复合粉体；其中，所述钛增强相粉末包括TiB₂粉和TiC粉，或，TiB和TiB₂混合粉；

S3、将所述复合粉体进行热压烧结，得到所述硅硼碳氮陶瓷复合材料。

进一步地，当所述钛增强相包括TiB和TiB₂混合粉状态时，在步骤S2之前还包括步骤：将钛粉和无定形硼粉在球磨罐中进行球磨，得到所述TiB和TiB₂混合粉。

进一步地，所述SiBCN非晶粉末中Si:C摩尔比范围为2:(2.5～4.5)，Si:B摩尔比范围为2:(0.5～1.5)。

进一步地，所述S2步骤中的复合粉体，包括按体积分数85～95份SiBCN非晶粉末和5～15份钛增强相粉末。

进一步地，当所述钛增强相粉末包括TiB₂粉和TiC粉时，所述TiB₂粉和所述TiC粉的摩尔比为TiB₂:TiC＝1:(0.2～2.5)。