非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法技术

非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法，它涉及硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。本发明专利技术解决了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。复合材料由硅粉、石墨和六方氮化硼制成。方法：将原料称取后球磨混合，然后再进行烧结即得到复合材料；另一种方法：原料称取后，先将硅粉和一部分的石墨球磨，再加入称取的六方氮化硼和剩余的石墨继续球磨后再进行烧结即得到复合材料。本发明专利技术的硅硼碳氮陶瓷复合材料性能好、制备工艺简单、成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。
技术介绍
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、W09606813-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°C /分钟，裂解温度高需要达1400°C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。GuojimZhang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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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999T99. 9%的硅粉、纯度为999T99. 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广20i!m。本专利技术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999T99.9%的硅粉、纯度为99% 99. 9%的 石墨和纯度为999T99. 9%的六方氮化硼，其中硅粉、石墨和六方氮化硼粒径均为广20i!m ；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，球磨时间为广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，本专利技术非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的抗弯强度为31(T319MPa，弹性模量为134 138GPa，硬度为3. 9 4. 3GPa,断裂韧性为3. 31MPa .！^2左右，本专利技术非晶和 纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的在1200°C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<10 y m，在1050°C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<21 u m (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°C和 1400°C空气中的抗弯强度分别为286 289MPa和224 228MPa，本专利技术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。本专利技术非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的另一种制备方法是按照以下步 骤进行一、按照Si:C:B摩尔比为2:3:1的比例称取纯度为999T99. 9%的硅粉、纯度为 999T99. 9%的石墨和纯度为999T99. 9%的六方氮化硼，其中硅粉、石墨和六方氮化硼粒径均 为广20 ym;二、将步骤一称取的全部硅粉和2/3的石墨混合后在氩气保护下进行球磨得 到混合物，球料质量比为5 100:1，磨球直径为3 10mm，球磨时间为广20小时，步骤一称取 的六方氮化硼和剩余1/3的石墨加入到混合物中进行球磨，球料质量比为5 100:1，磨球直 径为3 10mm，球磨时间为广30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 的抗弯强度可以达到42(T511MPa，弹性模量为13(Tl58GPa，硬度为3. 8 6GPa，断裂韧性为 4^6MPa m1/20本实施方式制备得到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，在1200°C的干燥空气中保温85小时，复合材料氧化增重小于0. 7mg/cm2, 此时的氧化层厚度<8 ym (本专利技术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1050°C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1. 7mg/cm2，此时的氧化层厚度<22i!m。本实施方式制备得到的非晶和 纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料在1000°C和1400°C空气中的抗弯强度分别为37(T380MPa 和357 360MPa，本实施方式制备得到的非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料耐高温性能 好。本专利技术非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料制备中所使用的原料原料容易获 得，价格低廉，在制备过程操作简单，制备周期短，对制备条件要求低，本专利技术非晶和纳米晶 的硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备成本低；本专利技术的硅硼碳氮陶瓷复合材料性能好，适于制 造航天防热用核心零部件。附图说明图1为具体实施方式十七制备得到的非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的 组织电镜图；图2为具体实施方式三十八中步骤二得到的非晶态包裹纳米晶的复合粉末的 电镜图，其中a表示非晶态包裹纳米晶的复合粉末的电镜图，b表示局部放大的电镜图；图 3为具体实施方式三十九制备得到的非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料的组织结构中 3C-SiC和BCN相的电镜图；图4为具体实施方式三十九制备得到的非晶和纳米晶的硅硼碳 氮陶瓷复合材料的组织结构中纳米晶和非晶态组织的聚集区电镜图；图5为具体实施方式 三十九制备得到的非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料经过平面磨床、外圆磨床和钻孔 机加工后的陶瓷样件图。具体实施例方式本专利技术技 术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的 任意组合。具体实施方式一本实施方式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999Γ99. 9%的硅粉、纯度为99% 99. 9%的石墨和纯 度为999Γ99. 9%的六方氮化硼制成，其中硅粉、石墨和六方氮化硼本文档来自技高网...

【技术保护点】
非晶和纳米晶的硅硼碳氮陶瓷复合材料，其特征在于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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨治华，贾德昌，段小明，周玉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]