一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料及其制備方法，本發(fā)明涉及氮化硼基透波復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明要解決現(xiàn)有氮化硼透波陶瓷復(fù)合材料的度低、韌性差的不足的技術(shù)問(wèn)題。氮化硼基透波復(fù)合材料按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2為10％～40％和六方氮化硼粉末為60％～90％制成；方法：一、混合，球磨，制得漿料；二、研碎、過(guò)篩，得到混料；三、燒結(jié)，冷卻。本發(fā)明獲得的氮化硼基透波復(fù)合材料的力學(xué)性能，熱學(xué)性能和介電性能均達(dá)到天線窗材料的要求。本發(fā)明具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單、工藝可控、能夠制造大尺寸天線窗陶瓷材料，適于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明用于制備氮化硼基透波復(fù)合材料。
【專利說(shuō)明】一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氮化硼基透波復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]著高速飛行器的迅猛發(fā)展，對(duì)保護(hù)制導(dǎo)系統(tǒng)正常工作的透波材料的要求也愈加苛亥IJ，傳統(tǒng)的透波材料已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代飛行器高速飛行時(shí)的需要。因此，對(duì)新型透波材料的需求也更加強(qiáng)烈。
[0003]氮化硼陶瓷具有優(yōu)異的的耐熱耐高溫性、抗熱沖擊性、介電性能和可加工性，但單純的氮化硼陶瓷不易燒結(jié)，且制備出來(lái)的氮化硼陶瓷強(qiáng)度低、孔隙率高，因此無(wú)法作為制導(dǎo)系統(tǒng)的保護(hù)材料在高馬赫數(shù)飛行器上直接使用。
[0004]目前為了改善氮化硼陶瓷的燒結(jié)性能，在氮化硼基體中加入二氧化硅做為燒結(jié)助劑以降低燒結(jié)溫度，制備出的氮化硼-二氧化硅復(fù)合材料其力學(xué)性能與氮化硼陶瓷相比得到了顯著地提高。但依舊存在強(qiáng)度低、韌性差的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決現(xiàn)有氮化硼透波陶瓷復(fù)合材料的度低、韌性差的不足的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料及其制備方法。
[0006]一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2為10%~40%和六方氮化硼粉末為60%~90%制成；其中，非晶態(tài)納米SiO2是以硅溶膠方式引入，硅溶膠中非晶態(tài)納米SiO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，平均粒徑為9nm ~13nm。
[0007]制備上述一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0008]一、將非晶態(tài)納米SiO2和六方氮化硼粉末混合，然后以乙醇及ZrO2陶瓷球作為球磨介質(zhì)，控制球磨速率為300r/min,球磨20h~24h,得到楽；料,其中，按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2S 10%~40%、六方氮化硼粉末為60%~90% ；
[0009]二、將步驟一得到的漿料攪拌均勻，控制攪拌速度為20r/min，然后烘干，得到粘連成塊的顆粒，再將粘連成塊的顆粒研碎、過(guò)篩，得到混料；
[0010]三、將步驟二制得的混料裝入石墨模具中，然后將石墨模具放入燒結(jié)爐中，在氮?dú)鈿夥?、溫度?750°c~1900°C條件下，施加IOMPa~30MPa壓力進(jìn)行熱壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)保溫時(shí)間為30min~60min,然后隨爐冷卻,獲得氮化硼基透波復(fù)合材料。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用不同顆粒尺寸的六方氮化硼粉末陶瓷作為基體材料，通過(guò)添加納米SiO2顆粒，采用熱壓燒結(jié)工藝，制備出一種綜合性能良好的透波陶瓷復(fù)合材料，其機(jī)械性能、熱學(xué)性能及介電性能均以達(dá)到透波材料在高馬赫數(shù)飛行器上使用的要求。[0012]本發(fā)明制備的氮化硼基透波陶瓷復(fù)合材料中，硅溶膠中的納米SiO2顆粒在烘干的過(guò)程中會(huì)部分吸附在氮化硼顆粒表面，在燒結(jié)的過(guò)程中起到降低燒結(jié)溫度、促進(jìn)燒結(jié)的作用，同時(shí)在高速飛行時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)使二氧化硅發(fā)生軟化，產(chǎn)生吸熱作用進(jìn)而降低天線罩表面溫度，同時(shí)熔融的二氧化硅粘附在氮化硼表面，降低了氮化硼與氧氣接觸幾率，進(jìn)而起到保護(hù)基體的作用。
[0013]本發(fā)明獲得的氮化硼基透波復(fù)合材料的力學(xué)性能，熱學(xué)性能和介電性能均達(dá)到天線窗材料的要求。本發(fā)明具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單、工藝可控、能夠制造大尺寸天線窗陶瓷材料，適于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明用于制備氮化硼基透波復(fù)合材料。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】之間的任意組合。
[0016]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2為10%~40%和六方氮化硼粉末為60%~90%制成；其中，非晶態(tài)納米SiO2是以硅溶膠方式引入，硅溶膠中非晶態(tài)納米SiO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，平均粒徑為9nm~13nm。
[0017]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:該氮化硼基透波復(fù)合材料按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2為30%和六方氮化硼粉末為70%制成。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0018]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述六方氮化硼粉末平均粒徑為I~1.5 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0019]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述六方氮化硼粉末平均粒徑為8.38 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0020]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述六方氮化硼粉末平均粒徑為12.45 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0021]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述六方氮化硼粉末平均粒徑為13.85 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0022]【具體實(shí)施方式】七:制備【具體實(shí)施方式】一所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料的方法，具體是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0023]一、將非晶態(tài)納米SiO2和六方氮化硼粉末混合，然后以乙醇及ZrO2陶瓷球作為球磨介質(zhì)，控制球磨速率為300r/min,球磨20h~24h,得到楽；料,其中，按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2S 10%~40%、六方氮化硼粉末為60%~90% ；
[0024]二、將步驟一得到的漿料攪拌均勻，控制攪拌速度為20r/min，然后烘干，得到粘連成塊的顆粒，再將粘連成塊的顆粒研碎、過(guò)篩，得到混料；
[0025]三、將步驟二制得的混料裝入石墨模具中，然后將石墨模具放入燒結(jié)爐中，在氮?dú)鈿夥?、溫度?750°C~1900°C條件下，施加IOMPa~30MPa壓力進(jìn)行熱壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)保溫時(shí)間為30min~60min,然后隨爐冷卻,獲得氮化硼基透波復(fù)合材料。
[0026]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七不同的是:步驟一中所述的非晶態(tài)納米SiO2是以硅溶膠方式引入，硅溶膠中非晶態(tài)納米SiO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，平均粒徑為9nm~13nm，所述六方氮化硼粉末平均粒徑為I μ m~13.85 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】七相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七不同的是:步驟三中熱壓燒結(jié)溫度為1800°C~1850°C。其它與【具體實(shí)施方式】七相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七不同的是:步驟二中混料粒徑為180目。其它與【具體實(shí)施方式】七相同。
[0029]采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0030]實(shí)施例一:
[0031]本實(shí)施例一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料的方法，具體是按照以下步驟 進(jìn)行的:
[0032]一、將非晶態(tài)納米SiO2和六方氮化硼粉末混合，然后以乙醇及ZrO2陶瓷球作為球磨介質(zhì)，控制球磨速率為300r/min,球磨24h,得到衆(zhòng)料，其中，按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2為30%、六方氮化硼粉末為70% ；
[0033]二、將步驟一得到的漿料攪拌均勻，控制攪拌速度為20r/min，然后烘干，得到粘連成塊的顆粒，再將粘連成塊的顆粒研碎、過(guò)篩，得到混料；
[0034]三、將步驟二制得的混料裝入石墨模具中，然后將石墨模具放入燒結(jié)爐中，在氮?dú)鈿夥?、溫度?800°C條件下，施加20MPa壓力進(jìn)行熱壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)保溫時(shí)間為60min，然后隨爐冷卻，獲得氮化硼基透波復(fù)合材料；
[0035]步驟一中所述的非晶態(tài)納米SiO2是以硅溶膠方式引入，硅溶膠中非晶態(tài)納米SiO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，平均粒徑為9nm~13nm，所述六方氮化硼粉末平均粒徑為I~L 5 μ m0
[0036]本實(shí)施方式獲得的氮化硼基透波復(fù)合材料(標(biāo)記為SHBN-SiO2陶瓷)的彎曲強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行測(cè)試，斷裂韌性采用單邊缺口梁三點(diǎn)彎曲法測(cè)試，介電性能采用高腔法在18-40GHZ頻率下進(jìn)行電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)試；測(cè)得的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和介電性能數(shù)據(jù)見表1。
[0037]表1SHBN-SiO2透波陶瓷的力學(xué)性能和介電性能
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料，其特征在于該氮化硼基透波復(fù)合材料按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2為10%~40%和六方氮化硼粉末為60%~90%制成；其中，非晶態(tài)納米SiO2是以硅溶膠方式引入，硅溶膠中非晶態(tài)納米SiO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,平均粒徑為9nm~13nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料，其特征在于該氮化硼基透波復(fù)合材料按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2為30 %和六方氮化硼粉末為70%制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料，其特征在于所述六方氮化硼粉末平均粒徑為I~1.5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料，其特征在于所述六方氮化硼粉末平均粒徑為8.38 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料，其特征在于所述六方氮化硼粉末平均粒徑為12.45 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料，其特征在于所述六方氮化硼粉末平均粒徑為13.85 μ m。
7.制備權(quán)利要求1所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料的方法，其特征在于具體是按照以下步驟進(jìn)行的: 一、將非晶態(tài)納米SiO2和 六方氮化硼粉末混合，然后以乙醇及ZrO2陶瓷球作為球磨介質(zhì)，控制球磨速率為300r/min,球磨20h~24h,得到楽；料,其中，按體積百分比非晶態(tài)納米SiO2為10%~40%、六方氮化硼粉末為60%~90% ; 二、將步驟一得到的漿料攪拌均勻，控制攪拌速度為20r/min，然后烘干，得到粘連成塊的顆粒，再將粘連成塊的顆粒研碎、過(guò)篩，得到混料； 三、將步驟二制得的混料裝入石墨模具中，然后將石墨模具放入燒結(jié)爐中，在氮?dú)鈿夥铡囟葹?750°C~1900°C條件下，施加IOMPa~30MPa壓力進(jìn)行熱壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)保溫時(shí)間為30min~60min,然后隨爐冷卻,獲得氮化硼基透波復(fù)合材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料的制備方法其特征在于步驟一中所述的非晶態(tài)納米SiO2是以硅溶膠方式引入，硅溶膠中非晶態(tài)納米SiO2顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，平均粒徑為9nm~13nm，所述六方氮化硼粉末平均粒徑為I μ m~13.85 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料的制備方法其特征在于步驟三中熱壓燒結(jié)溫度為1800°C~1850°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種以納米硅溶膠為燒結(jié)助劑熱壓制備的氮化硼基透波復(fù)合材料的制備方法其特征在于步驟二中混料粒徑為180目。
【文檔編號(hào)】C04B35/5833GK103964860SQ201410186383
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】賈德昌, 田卓, 葉書群, 段小明, 楊治華, 周玉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)