[發明專利]碳化硅涂層改性多壁碳納米管增強硅硼碳氮陶瓷復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810430212.1
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108503384B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 賈德昌;廖寧;楊治華;周玉;段小明;王勝金;何培剛;蔡德龍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/515;C04B35/52;C04B35/583;C04B35/628;C04B35/83
• 代理公司: 11473 北京隆源天恒知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 閆冬;吳航

本發明提供一種碳化硅涂層改性多壁碳納米管增強硅硼碳氮陶瓷復合材料及其制備方法，其方法在于，將硅粉、石墨粉和六方氮化硼粉按摩爾比2:3:1加入高能球磨機中，在氬氣保護下進行球磨，得到非晶硅硼碳氮粉末；將多壁碳納米管用聚氮硅烷進行涂覆，烘干后在氬氣保護下進行高溫處理；將非晶硅硼碳氮粉末與碳化硅涂層改性多壁碳納米管進行行星球磨得到分散均勻的混合粉體；將混合粉體進行放電等離子體燒結，得到碳化硅涂層改性多壁碳納米管增強硅硼碳氮陶瓷復合材料，且此材料由體積分數95?99份硅硼碳氮非晶粉末和1?5份碳化硅涂層改性多壁碳納米管組成，與現有技術比較，本發明制備的材料具有很好的抗氧化能力以及很高的強度和斷裂韌性。

技術領域

本發明涉及高溫結構陶瓷材料技術領域，具體涉及一種碳化硅涂層改性多壁碳納米管增強硅硼碳氮陶瓷復合材料及其制備方法。

背景技術

硅基非氧化物例如碳化硅、氮化硅以及硅碳氮等高溫結構陶瓷材料由于較好的高溫穩定性和力學性能而受到廣泛關注。近年來，一種四元硅硼碳氮陶瓷因其在非氧化環境下的優異熱穩定性(1800℃時仍保持非晶狀態)，有時甚至達到2000℃。大量的研究表明，硅硼碳氮陶瓷的高溫抗氧化性更是優于傳統結構陶瓷。傳統的制備方法為采用前驅體裂解的方式制備硅硼碳氮陶瓷，但是前驅體裂解方式一方面工藝復雜，原材料昂貴；另一方面前驅體裂解法制備的陶瓷收得率一般為70-80wt％，不能直接獲得致密陶瓷。因此，研究可替代前驅體裂解法制備高性能硅硼碳氮陶瓷對高溫結構陶瓷的進一步發展是非常必要的。

目前，采用高能球磨法制備硅硼碳氮復合陶瓷是以硅粉、石墨粉和六方氮化硼粉為原料，通過機械合金化高能球磨得到非晶態硅硼碳氮陶瓷粉體，進而采用熱壓或放電等離子體燒結得到致密塊體硅硼碳氮陶瓷。利用機械合金化法制備硅硼碳氮復合陶瓷雖然具有工藝流程簡單和產量高等優點，但是機械合金化法結合高溫燒結制備的硅硼碳氮陶瓷仍存在純度和組織結構均勻性不能完全媲美先驅體裂解法制備硅硼碳氮材料等掣肘。因此，1800℃等離子體燒結硅硼碳氮陶瓷的室溫強度僅為64.80±6.83MPa，斷裂韌性為0.72±0.15MPa·m^1/2。燒結溫度為1900℃時抗折強度為200MPa左右，斷裂韌性為2-3MPa·m^1/2，仍低于碳化硅、氮化硅等陶瓷的性能。此外，此方法制備硅硼碳氮陶瓷的抗熱震性也還有待進一步提高。

鑒于上述缺陷，本發明創作者經過長時間的研究和實踐提出了本發明。

發明內容

本發明旨在解決現有硅硼碳氮陶瓷復合材料韌性差、抗熱震性還有待進一步提高等問題，本發明提供一種碳化硅涂層改性多壁碳納米管增強硅硼碳氮陶瓷復合材料的制備方法，其包括以下步驟：

第一步：將硅粉、石墨粉和六方氮化硼粉加入高能球磨機中，在氬氣保護下進行球磨，球料質量比為15-25:1，磨球直徑為8-12mm，得到非晶硅硼碳氮粉末；

第二步：將多壁碳納米管用聚氮硅烷進行涂覆，烘干后在氬氣保護下進行高溫處理；

第三步：按體積分數稱取95-99份步驟1中得到的非晶硅硼碳氮粉末與1-5份步驟2得到的碳化硅涂層改性多壁碳納米管，然后經行星球磨混合，球料質量比為15-25:1，磨球直徑為8-12mm，無水乙醇為分散介質，得到分散均勻的混合粉體；

第四步：將第三步得到的混合粉體進行放電等離子體燒結，得到碳化硅涂層改性多壁碳納米管增強的硅硼碳氮陶瓷復合材料。

較佳的，第一步中所述硅粉、所述石墨和所述六方氮化硼三者的粒徑均不大于20μm。

較佳的，所述硅粉、所述石墨和所述六方氮化硼三者的純度均為99-99.9％。

較佳的，第一步中所述球磨的條件為，球磨時間為18-22h，主盤轉速為300-350r/min，球磨罐相對轉速為625-675r/min。