本發(fā)明涉及一種無(wú)機(jī)非金屬材料制備方法，特別是涉及一種氮化硼納米片增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

陶瓷材料以其優(yōu)異的性能在材料領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟，陶瓷材料本身具有較高的強(qiáng)度及彈性模量，但較差的韌性嚴(yán)重地限制其應(yīng)用，因此陶瓷材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌是首要解決的問(wèn)題。氮化硼納米片具有良好的高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的介電性能以及良好的力學(xué)性能，在陶瓷增韌方面具有極高的應(yīng)用潛力。

通常的陶瓷材料增韌方法包括：相變?cè)鲰g、晶須及顆粒增韌、纖維增韌、納米線及納米管增韌等。但是相變、晶須及顆粒增韌效果不是特別理想；纖維增韌的操作過(guò)程較為復(fù)雜，不易于操作，同時(shí)產(chǎn)品的致密度較差。目前應(yīng)用較多的是碳納米管和石墨烯增韌，碳納米管和石墨烯雖然能較大地提高陶瓷材料的力學(xué)性能，但是碳納米管和石墨烯的高溫易氧化及在高溫下易與基體材料發(fā)生反應(yīng)等缺陷限制了它們的應(yīng)用。與之相比，氮化硼材料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，其氧化溫度可以達(dá)到800℃以上。

200910015758.1公開(kāi)了一種氮化硼納米管增強(qiáng)的氮化硅陶瓷及其制備方法，將氮化硼納米管、氮化硅粉、燒結(jié)助劑通過(guò)球磨混合，然后置于石墨模具和燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到氮化硼納米管增強(qiáng)的氮化硅陶瓷。200910014220.9公開(kāi)了一種氮化硼納米管增強(qiáng)氧化鋁陶瓷的制備方法，將氮化硼納米管和氧化鋁進(jìn)行球磨混合，然后置于石墨模具和多功能燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到氮化硼納米管增強(qiáng)的氧化鋁陶瓷。201010196170.3公開(kāi)了一種氮化硼納米管增強(qiáng)二氧化硅陶瓷的制備方法，將氮化硼納米管和二氧化硅的納米級(jí)粉體及微米級(jí)粉體進(jìn)行球磨混合，然后置于多功能燒結(jié)爐中，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，得到氮化硼納米管增強(qiáng)的二氧化硅陶瓷。201010277828.3公開(kāi)了一種氮化硼納米管增強(qiáng)增韌氧化鋯陶瓷的制備方法，將氮化硼納米管、氧化鋯粉體進(jìn)行球磨混合，過(guò)篩，然后在馬弗爐里預(yù)燒，最后在多功能燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，得到氮化硼納米管增強(qiáng)增韌的氧化鋯陶瓷。

氮化硼納米管具有良好的力學(xué)性能，是一種優(yōu)良的陶瓷增韌體，并且已經(jīng)在陶瓷材料的強(qiáng)韌化方面得到了一定的應(yīng)用，可以較大地提高陶瓷材料的力學(xué)性能。但是氮化硼納米管在增強(qiáng)陶瓷材料時(shí)也存在著一定的不足：首先，氮化硼納米管屬于一維納米結(jié)構(gòu)，在阻礙裂紋擴(kuò)展方面的作用不太顯著；其次，氮化硼納米管的難以大批量合成也限制了其在復(fù)合材料制備中的應(yīng)用。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于碳納米管和石墨烯增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料高溫穩(wěn)定性差，而氮化硼納米管難以大批量合成并且在增強(qiáng)陶瓷材料時(shí)阻礙裂紋擴(kuò)展效果不顯著等問(wèn)題，尚缺乏有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服碳納米管和石墨烯增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料高溫穩(wěn)定性差，而氮化硼納米管難以大批量合成并且在增強(qiáng)陶瓷材料時(shí)阻礙裂紋擴(kuò)展效果不顯著等現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種氮化硼納米片增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明提供的氮化硼納米片增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，以氮化硼納米片作增強(qiáng)相、陶瓷作基體。

優(yōu)選的，本發(fā)明采用的陶瓷基體為氧化鎂陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、二氧化硅陶瓷、熔融石英陶瓷、莫來(lái)石陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化鋁陶瓷、硅氧氮陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、硼化鋯陶瓷或硼化鈦陶瓷。

優(yōu)選的，本發(fā)明采用的陶瓷基體為熔融石英陶瓷。熔融石英陶瓷的力學(xué)性能很差，嚴(yán)重限制了其在航空航天、冶金等領(lǐng)域的應(yīng)用。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述的氮化硼納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt％～10.0wt％，

優(yōu)選的，本發(fā)明所述的氮化硼納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5wt％～2.0wt％。

本發(fā)明提供的氮化硼納米片增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)稱取適量氮化硼納米片、陶瓷粉體；

(2)將氮化硼納米片和陶瓷粉體分別裝入玻璃容器中，加入一定量的蒸餾水，然后高速攪拌配合超聲處理得到分散均勻的懸浮液；

(3)將步驟(2)所得懸浮液pH值調(diào)至一定范圍；

(4)將氮化硼納米片懸浮液逐滴滴加到陶瓷粉體懸浮液中，在滴加的同時(shí)對(duì)陶瓷粉體懸浮液進(jìn)行高速攪拌至兩者充分混合得到混合溶液；

(5)將步驟(4)得到的混合溶液密封靜置沉淀后真空抽濾去掉上層清液，干燥得到混合粉體；

(6)將步驟(5)中的混合粉體置于石墨模具中在保護(hù)氣氛下熱壓燒結(jié)后冷卻得到氮化硼納米片增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。

優(yōu)選的，該制備方法的增強(qiáng)相為氮化硼納米片，氮化硼納米片可以通過(guò)剝離六方氮化硼粉末的方式獲得，該制備工藝生產(chǎn)效率高，更容易實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模合成的技術(shù)效果。

優(yōu)選的，步驟(1)中加入的氮化硼納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt％～10.0wt％，

優(yōu)選的，步驟(1)中加入的氮化硼納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5wt％～2.0wt％。

優(yōu)選的，步驟(2)中高速攪拌配合超聲處理的時(shí)間為1～10小時(shí)，使氮化硼納米片在陶瓷基體中分布更均勻。

優(yōu)選的，步驟(2)中超聲處理所用超聲波清洗儀的功率為40w，此功率的設(shè)定既滿足氮化硼納米片在懸浮液中均勻分散的要求，又不至于功率過(guò)高，對(duì)納米片的結(jié)構(gòu)造成損傷。

優(yōu)選的，步驟(3)中可采用一定濃度的鹽酸或氨水溶液調(diào)節(jié)懸浮液pH值，pH值的調(diào)節(jié)范圍依據(jù)陶瓷基體種類(lèi)的改變而變化。

優(yōu)選的，步驟(5)中混合溶液密封靜置沉淀的時(shí)間為24～48小時(shí)。

優(yōu)選的，步驟(5)中干燥工藝參數(shù)為干燥溫度100±5℃，干燥時(shí)間24～48小時(shí)，然后過(guò)200目篩。

優(yōu)選的，步驟(6)中熱壓燒結(jié)的過(guò)程為：將混合粉體置于石墨模具中，再將模具放置于多功能熱壓燒結(jié)爐中，在保護(hù)氣氛下，以19～21℃/min升溫速度升溫至1200～1900℃，加壓25～30Mpa燒結(jié)，保溫1～1.5小時(shí)后停止加熱，使其在爐中自然冷卻到室溫，得到成品。

優(yōu)選的，步驟(6)中的石墨模具的直徑為30-42mm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明采用氮化硼納米片做增強(qiáng)相，可以與陶瓷基體形成更大的結(jié)合面積，增大界面結(jié)合力、改善由基體向氮化硼納米片的應(yīng)力傳遞效率，提高材料的力學(xué)性能。此外，還可以使裂紋在平面上發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)，甚至能夠在三維空間上阻止裂紋擴(kuò)展，進(jìn)一步提高陶瓷材料的韌性。

(2)本發(fā)明制備的氮化硼納米片增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有良好的高溫穩(wěn)定性。

(3)本發(fā)明的制備方法選擇的增強(qiáng)相為氮化硼納米片，氮化硼納米片可以通過(guò)剝離六方氮化硼粉末的方式獲得，更容易實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的合成。

(4)本發(fā)明使用的設(shè)備簡(jiǎn)單而且安全性好，制備工藝穩(wěn)定，操作處理簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品性能好，所得產(chǎn)品氮化硼納米片增強(qiáng)熔融石英陶瓷的彎曲強(qiáng)度達(dá)到100.8MPa，比純?nèi)廴谑⑻沾商岣?3％。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的優(yōu)選的理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為混合粉體的掃描電鏡形貌圖；

圖2為氮化硼納米片增強(qiáng)樣品的X-射線衍射圖；

圖3為氮化硼納米片增強(qiáng)樣品的掃描電鏡形貌圖；

圖4為氮化硼納米片增強(qiáng)樣品的彎曲強(qiáng)度曲線。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁﹥?yōu)選的的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的說(shuō)明。

采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行實(shí)施例1混合粉體的表面形貌測(cè)試，具體的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。圖1是實(shí)施例1混合粉體的掃描電鏡形貌圖，從圖1中可以看出氮化硼納米片較為均勻地分散在粉體中，沒(méi)有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，并且納米片的結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞。

采用X-射線測(cè)定實(shí)施例1復(fù)合材料的晶相，具體的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2是實(shí)施例1所制得的氮化硼納米片增強(qiáng)熔融石英陶瓷的X-射線衍射圖。圖2中顯示產(chǎn)物主要為非晶相，有極少量的晶化，說(shuō)明燒結(jié)后的熔融石英基復(fù)合材料仍主要保持非晶狀態(tài)。同時(shí)，由于加入的氮化硼納米片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，圖2中沒(méi)有六方氮化硼的衍射峰出現(xiàn)。

采用掃描電子顯微鏡對(duì)實(shí)施例1復(fù)合材料的斷口形貌進(jìn)行測(cè)試,具體的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3是實(shí)施例1所制得的氮化硼納米片增強(qiáng)熔融石英陶瓷的斷口形貌圖。由斷口形貌圖可以看出氮化硼納米片較為均勻地分布在熔融石英基體中。在材料斷裂過(guò)程中，氮化硼納米片的拔出以及在斷裂處的橋連，能夠消耗裂紋擴(kuò)展的能量，從而有效地提高材料的性能。

圖4是氮化硼納米片增強(qiáng)熔融石英陶瓷的彎曲強(qiáng)度的變化曲線。從圖4中可以看出，相比于純?nèi)廴谑⑻沾?，?fù)合材料的力學(xué)性能都有了提高。氮化硼納米片含量為0.5wt％的樣品達(dá)到最高的彎曲強(qiáng)度值，100.8MPa，比純?nèi)廴谑⑻沾商岣?3％。當(dāng)納米片的含量高于0.5wt％時(shí)，隨著納米片含量的升高，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度逐漸降低。

實(shí)施例1：

用氮化硼納米片作為增強(qiáng)相，采用熱壓燒結(jié)制備熔融石英基復(fù)合材料。

1)步驟；用天平稱取0.06g氮化硼納米片和11.94g熔融石英粉體，分別放入玻璃容器中并向容器中加入1000mL蒸餾水，再用高速攪拌配合超聲處理8小時(shí)得到分散均勻的懸浮液；

2)步驟；采用鹽酸稀釋溶液(1M)將兩種懸浮液的pH值調(diào)節(jié)為pH＝3，并將氮化硼納米片懸浮液逐滴滴加到熔融石英懸浮液中，在滴加的同時(shí)仍對(duì)熔融石英懸浮液進(jìn)行高速攪拌，使兩者充分混合；

3)步驟；隨后將得到的混合溶液密封靜置沉淀24小時(shí)，并通過(guò)真空抽濾去掉上層清液，干燥24小時(shí)后得到混合粉體；

4)步驟；將混合粉體置于石墨模具中，再將石墨模具放置于多功能燒結(jié)爐中，以20℃/min升溫至1300℃，加壓30Mpa燒結(jié)，保溫1小時(shí)，使其在爐中自然冷卻到室溫；

5)步驟；將燒結(jié)好的陶瓷塊經(jīng)磨削，切割等工藝得到成品。

實(shí)施例2：

用氮化硼納米片作為增強(qiáng)相，采用熱壓燒結(jié)制備熔融石英基復(fù)合材料。

1)步驟；用天平稱取0.12g氮化硼納米片和11.88g熔融石英粉體，分別放入玻璃容器中并向容器中加入800mL蒸餾水，再用高速攪拌配合超聲處理10小時(shí)得到分散均勻的懸浮液；

2)步驟；采用鹽酸稀釋溶液(1M)將兩種懸浮液的pH值調(diào)節(jié)為pH＝3，并將氮化硼納米片懸浮液逐滴滴加到熔融石英懸浮液中，在滴加的同時(shí)仍對(duì)熔融石英懸浮液進(jìn)行高速攪拌，使兩者充分混合；

3)步驟；將得到的混合溶液密封靜置沉淀24小時(shí)，并通過(guò)真空抽濾去掉上層清液，干燥24小時(shí)后得到混合粉體；

4)步驟；將混合粉體置于石墨模具中，再將石墨模具放置于多功能燒結(jié)爐中，以20℃/min升溫至1300℃，加壓30Mpa燒結(jié)，保溫1小時(shí)，使其在爐中自然冷卻到室溫。

5)步驟將燒結(jié)好的陶瓷塊經(jīng)磨削，切割等工藝得到成品。

實(shí)施例3：

用氮化硼納米片作為增強(qiáng)相，采用熱壓燒結(jié)制備熔融石英基復(fù)合材料。

1)步驟；用天平稱取0.18g氮化硼納米片和11.82g熔融石英粉體，分別放入玻璃容器中并向容器中加入700mL蒸餾水，再用高速攪拌配合超聲處理8小時(shí)得到分散均勻的懸浮液；

2)步驟；然后采用鹽酸稀釋溶液(2M)將兩種懸浮液的pH值調(diào)節(jié)為pH＝3.5，并將氮化硼納米片懸浮液逐滴滴加到熔融石英懸浮液中，在滴加的同時(shí)仍對(duì)熔融石英懸浮液進(jìn)行高速攪拌，使兩者充分混合；

3)步驟；隨后將得到的混合溶液密封靜置沉淀40小時(shí)，并通過(guò)真空抽濾去掉上層清液，干燥34小時(shí)后得到混合粉體；

4)步驟；將混合粉體置于石墨模具中，再將石墨模具放置于多功能燒結(jié)爐中，以20℃/min升溫至1200℃，加壓30Mpa燒結(jié)，保溫2小時(shí)，使其在爐中自然冷卻到室溫。

5)步驟；將燒結(jié)好的陶瓷塊經(jīng)磨削，切割等工藝得到成品。

實(shí)施例4：

用氮化硼納米片作為增強(qiáng)相，采用熱壓燒結(jié)制備熔融石英基復(fù)合材料。

1)步驟；用天平稱取0.24g氮化硼納米片和11.76g熔融石英粉體，分別放入玻璃容器中并向容器中加入1000mL蒸餾水，再用高速攪拌配合超聲處理8小時(shí)得到分散均勻的懸浮液；

2)步驟；然后采用鹽酸稀釋溶液(1M)將兩種懸浮液的pH值調(diào)節(jié)為pH＝3，并將氮化硼納米片懸浮液逐滴滴加到熔融石英懸浮液中，在滴加的同時(shí)仍對(duì)熔融石英懸浮液進(jìn)行高速攪拌，使兩者充分混合；

3)步驟；隨后將得到的混合溶液密封靜置沉淀24小時(shí)，并通過(guò)真空抽濾去掉上層清液，干燥48小時(shí)后得到混合粉體；

4)步驟；將混合粉體置于石墨模具中，再將石墨模具放置于多功能燒結(jié)爐中，以20℃/min升溫至1350℃，加壓30Mpa燒結(jié)，保溫1小時(shí)，使其在爐中自然冷卻到室溫；

5)步驟；將燒結(jié)好的陶瓷塊經(jīng)磨削，切割等工藝得到成品。

實(shí)施例5：

用氮化硼納米片作為增強(qiáng)相，采用熱壓燒結(jié)制備氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料。

1)步驟；用天平稱取0.085g氮化硼納米片和16.915g氧化鋁粉體，分別放入玻璃容器中并向容器中加入800mL蒸餾水，再用高速攪拌配合超聲處理10小時(shí)得到分散均勻的懸浮液；

2)步驟；然后采用鹽酸稀釋溶液(1M)和氨水稀釋溶液(1M)將兩種懸浮液的pH值調(diào)節(jié)為pH＝6，并將氮化硼納米片懸浮液逐滴滴加到氧化鋁懸浮液中，在滴加的同時(shí)仍對(duì)氧化鋁懸浮液進(jìn)行高速攪拌，使兩者充分混合；

3)步驟；隨后將得到的混合溶液密封靜置沉淀24小時(shí)，并通過(guò)真空抽濾去掉上層清液，干燥24小時(shí)后得到混合粉體；

4)步驟；將混合粉體置于石墨模具中，再將石墨模具放置于多功能燒結(jié)爐中，以20℃/min升溫至1500℃，加壓30Mpa燒結(jié)，保溫1小時(shí)，使其在爐中自然冷卻到室溫；

5)步驟；將燒結(jié)好的陶瓷塊經(jīng)磨削，切割等工藝得到成品。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。