一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法
2023-10-11 15:04:49
專利名稱：一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法。
背景技術：
高溫結構材料是當今航空、航天、能源、化工、機械、冶金等領域的關鍵材料。特別是航空航天技術的發展，對太空飛行器的機頭錐帽、機翼前緣、舵面、蓋板和噴管等高溫結構材料的要求越來越苛刻，要求其具有承載、耐高溫、抗氧化、低密度、高可靠性等特點。矽硼碳氮陶瓷作為一種新型的高溫結構材料，由於存在較多的共價鍵結構，賦予了材料較高的熱穩定性、抗氧化性以及抗蠕變等性能。但是，利用有機先驅體製備的矽硼碳氮陶瓷，在 1500°C氧化超過M小時，原本非晶態的氧化層就會結晶，並伴有氣泡的產生。為了改進氧化層的質量，人們製備出了矽硼碳氮鋁陶瓷體系，希望通過形成Al203/B203/Si&玻璃態物質，以阻止硼的揮發和氣泡的產生，從而達到改進矽硼碳氮陶瓷的抗氧化性的目的。實驗表明，鋁的加入的確對氧化行為產生了有利的影響，它可以有效阻止矽硼碳氮陶瓷高溫氧化時氧化層中常常出現的開裂和氣泡現象。目前製備矽硼碳氮鋁材料主要採用首先合成有機先驅體，然後再緩慢裂解生成無機粉末，最後再製備陶瓷材料的方法。雖然此方法製備的材料具有組織均勻，性能高等特點，但該方法卻有原材料來源少、價格高(致使成本增加)，合成步驟複雜，工藝難於控制， 合成條件苛刻，產量低，成型過程伴有分解等缺點，因而成為其在實際應用方面的瓶頸。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有製備矽硼碳氮鋁材料的方法存在成本高、工藝複雜、難於控制、產量低和成型過程伴有分解的問題，而提供了一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法。以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法按以下步驟進行一、稱取純度為99% 99. 9%的立方矽粉(c-Si)、純度為98% 99. 9%的六方氮化硼(h-BN)、純度為99% 99. 9%的石墨(C)和純度為99 % 99. 9 %的金屬鋁粉 (Al)為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C Al = 1 0. 5 1. 5 0. 3 ；二、將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨10 80h，得到非晶態的矽硼碳氮鋁粉末；三、非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為 1400 2000°C、壓強為10 60MPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結10 60min，即完成以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 20 μ m;步驟二氮化矽球磨罐中的球料比為 10 60 1 ；步驟二中球磨的參數為主盤轉速100 400r/min，行星盤相對轉速400 1200r/min。本發明提出用機械合金化後熱壓燒結的方法製備矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料，具有製備過程簡單、工藝可控、成型過程沒有分解、成本低、產量高，適於工業化生產等優點，可成為開發矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料在工業中應用的有效手段。本發明製備所得非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料，經測試，其抗彎強度為 421 526MPa，彈性模量為174 222GPa，斷裂韌性為3. 4 5. 25MPa .m1/2，硬度為11. 6 12. 7GPa，密度為 2. 77 2. 90g/cm3。
圖1為具體實施方式
十中所得非晶態的矽硼碳氮鋁粉末的XRD譜圖；圖2為具體實施方式
十中所得非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的透射電鏡圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法按以下步驟進行一、稱取純度為99% 99. 9%的立方矽粉(C-Si)、 純度為98% 99. 9%的六方氮化硼(h-BN)、純度為99% 99. 9%的石墨(C)和純度為99% 99. 9%的金屬鋁粉(Al)為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C Al = 1 0.5 1.5 0.3 ；二、將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨10 80h，得到非晶態的矽硼碳氮鋁粉末；三、非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為1400 2000°C、壓強為10 60MPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結10 60min，即完成以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 20μπι;步驟二氮化矽球磨罐中的球料比為 10 60 1 ；步驟二中球磨的參數為主盤轉速100 400r/min，行星盤相對轉速400 1200r/min。本實施方式步驟二中主盤與行星盤的轉向是相反的。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨10h。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨80h。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨20 70h。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨40h。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三中非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為1400°C、壓強為IOMPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結60min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三中非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為2000°C、壓強為60MPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結lOmin。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三中非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為1500 1900°C、壓強為20 50MPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結20 50min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三中非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為1800°C、壓強為30MPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結40min。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
十本實施方式以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法按以下步驟進行一、稱取純度為99. 5%的立方矽粉(c-Si)、純度為 99. 5%的六方氮化硼(h-BN)、純度為99%的石墨(C)和純度為99. 9%的金屬鋁粉(Al)為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C Al = 1 0. 5 1. 5 0. 3 ；二、將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨30h， 得到非晶態的矽硼碳氮鋁粉末；三、非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為1800°C、壓強為30MPa的氬氣氣氛下進行熱壓燒結30min，即完成以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 20 μ m;步驟二氮化矽球磨罐中的球料比為 30 1 ；步驟二中球磨的參數為主盤轉速350r/min，行星盤相對轉速400r/min。本實施方式製備所得非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料，經測試，其抗彎強度為421MPa，彈性模量為174GPa，斷裂韌性為3. 4MPa ·πιιΛ，硬度為12. 7GPa，密度為2. 77g/
3
cm ο本實施方式步驟二中所得非晶態的矽硼碳氮鋁粉末，從其XRD譜圖中(圖1)可證明確實為非晶態的矽硼碳氮鋁粉末；本實施方式製備所得非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的透射電鏡圖中 (圖2)可見複合材料的組織結構中納米晶和非晶態組織聚集區。
具體實施方式
十一本實施方式以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法按以下步驟進行一、稱取純度為99. 5%的立方矽粉(c-Si)、純度為99. 5%的六方氮化硼(h-BN)、純度為99%的石墨(C)和純度為99. 9%的金屬鋁粉(Al) 為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C Al = 1 0. 5 1. 5 0. 3 ；二、將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨25h， 得到非晶態的矽硼碳氮鋁粉末；三、非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為1700°C、壓強為40MPa的氮氣氣氛下進行熱壓燒結40min，即完成以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 20 μ m;步驟二氮化矽球磨罐中的球料比為 30 1 ；步驟二中球磨的參數為主盤轉速350r/min，行星盤相對轉速500r/min。本實施方式製備所得非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料，經測試，其抗彎強度為526MPa，彈性模量為222GPa，斷裂韌性為5. 25MPa ·πιιΛ，硬度為11. 6GPa,密度為2. 90g/
3
cm ο
權利要求
1.一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法，其特徵在於以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法按以下步驟進行一、稱取純度為99 % 99. 9 %的立方矽粉、純度為98 % 99. 9 %的六方氮化硼、純度為99% 99. 9%的石墨和純度為99% 99. 9%的金屬鋁粉為原料，其中各原料的摩爾比為Si BN C Al = 1 0. 5 1. 5 0. 3 ；二、將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨10 80h，得到非晶態的矽硼碳氮鋁粉末；三、非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為1400 2000°C、壓強為10 60MPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結10 60min，即完成以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備；其中步驟一中原料的粒徑均為1 20 μ m ；步驟二氮化矽球磨罐中的球料比為10 60 1 ；步驟二中球磨的參數為主盤轉速100 400r/min，行星盤相對轉速400 1200r/mirio
2.根據權利要求1所述的一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法，其特徵在於步驟二中將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨20 70h。
3.根據權利要求1所述的一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法，其特徵在於步驟二中將稱取的原料和氮化矽磨球共同放入氮化矽球磨罐中，在氬氣保護下採用行星式球磨機進行球磨40h。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法，其特徵在於步驟三中非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為 1500 1900°C、壓強為20 50MPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結20 50min。
5.根據權利要求4所述的一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法，其特徵在於步驟三中非晶態的矽硼碳氮鋁粉末置於燒結溫度為 1800°C、壓強為30MPa的氬氣或氮氣氣氛下進行熱壓燒結40min。
全文摘要
一種以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法，它涉及一種矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的製備方法。它解決了現有製備矽硼碳氮鋁材料的方法存在成本高、工藝複雜、難於控制、產量低和成型過程伴有分解的問題。方法一、稱取立方矽粉、六方氮化硼、石墨和金屬鋁粉為原料；二、原料球磨，得到非晶態的矽硼碳氮鋁粉末；三、非晶態的矽硼碳氮鋁粉末進行氣氛熱壓燒結即完成。本發明具有製備過程簡單、工藝可控、成型過程沒有分解、成本低、產量高，適於工業化生產等優點，可成為開發矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料在工業中應用的有效手段；所得以金屬鋁粉為鋁源的非晶和納米晶矽硼碳氮鋁陶瓷複合材料的力學性能好。
文檔編號C04B35/515GK102173803SQ20111002708
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月25日 優先權日2011年1月25日
發明者葉丹, 周玉, 孟慶昌, 張培峰, 楊治華, 段小明, 賈德昌 申請人:哈爾濱工業大學