[發明專利]一種高致密SiBCN陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010611802.1
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111689778B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 李達鑫;朱啟帥;梁斌;賈德昌;楊治華;蔡德龍;段小明;何培剛;周玉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/65;C04B35/645
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

一種高致密SiBCN陶瓷材料及其制備方法，本發明涉及SiBCN陶瓷材料及其制備方法。本發明要解決現有機械合金化?熱壓燒結法制備SiBCN陶瓷材料的密度低，尺寸小，生產效率低的問題。一種高致密SiBCN陶瓷材料由立方晶系的硅粉、石墨粉和六方氮化硼粉制備而成。方法：稱取立方晶系的硅粉、石墨粉和六方氮化硼粉，并放入球磨罐中球磨，然后熱壓預燒結，最后封入包套進行熱等靜壓，即完成高致密SiBCN陶瓷材料的制備。本發明用于高致密SiBCN陶瓷材料及其制備。

技術領域

本發明涉及SiBCN陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

硅硼碳氮陶瓷材料是近20年才剛剛興起的一種新型高溫防熱結構陶瓷材料，SiBCN陶瓷憑借低密度，優異的組織結構穩定性(較高的非晶穩定能力，晶化后所具有的“膠囊”結構能夠有效抑制晶粒的長大)，優異的綜合力學性能(高強度、高硬度及高韌性等)，良好的抗氧化性能，良好的高溫蠕變性能，優良的綜合高溫性能(SiBCN纖維可在1500℃空氣中服役)，良好的抗熱震、耐燒蝕性能，優良的機械加工性能吸引了大批材料領域研究人員的廣泛關注。目前，硅硼碳氮陶瓷塊體材料的主要制備方法有兩種，即有機先驅體轉化法和機械合金化-熱壓燒結法(無機法)。

在以往前驅體轉化法制備硅硼碳氮陶瓷的研究中，重點都集中在首先以有機單體為原料合成有機先驅體，然后先驅體經高溫裂解得到無機粉末，最后陶瓷粉末經過燒結得到陶瓷材料。利用有機先驅體轉化法制備的硅硼碳氮陶瓷材料性能十分優異，但是存在諸多問題：1、有機前驅體制備非晶硅硼碳氮陶瓷復合材料的步驟復雜，工藝難于控制，合成環境要求嚴格，從原料保存、合成過程以及合成有機先驅體后的各個步驟均需在高度無水無氧的環境下操作，并且合成過程緩慢；2、利用有機前驅體制備非晶硅硼碳氮陶瓷復合材料產率低，單次合成量少，而且在部分有機合成過程中的生成的固體副產品不容易去除；3、裂解方法制備硅硼碳氮陶瓷過程中要求裂解速度僅為1℃/分鐘，裂解溫度高需要達1400℃左右，且每次裂解的量少，并要求是在高純的惰性氣體保護下操作，控制較為困難；4、采用裂解方法獲得的硅硼碳氮陶瓷無法實現完全致密化，為多孔材料，不能滿足實際使用要求；5、有機合成的原料價格較高，環境友好性差。這些缺點極大的限制了硅硼碳氮陶瓷復合材料在工程方面的大規模應用。

2012年Zhihua Yang等人(Microstructural features and properties of thenano-crystalline SiC/BN(C)composite ceramic prepared from the mechanicallyalloyed SiBCN powder[J].Journal of Alloys and Compounds,2012,537:346-356.)發明了機械合金化-壓力燒結法(無機法)制備非晶和納米晶的硅硼碳氮陶瓷材料。先將原料混合球磨后得到非晶態的SiBCN粉體，然后采用熱壓燒結工藝燒結制備SiBCN陶瓷材料。無機法制備SiBCN陶瓷材料工藝簡單，但燒結溫度高達2000℃，制備的SiBCN陶瓷材料致密度低(僅為理論密度的85％)，綜合力學性能不夠理想，樣品尺寸小且單次燒結只能制備單塊陶瓷材料，不能滿足實際應用的需求。2015年Bin Liang等人(Highly denseamorphous Si₂BC₃N monoliths with excellent mechanical properties prepared byhigh pressure sintering[J].Journal of American Ceramic Society,2015,98(12):3782-3787.)發明了運用高壓燒結(5GPa)制備硅硼碳氮陶瓷材料的方法，制備的SiBCN陶瓷材料呈非晶態，具有高密度，高硬度，優異的抗氧化性能但是材料尺寸僅為且單次燒結也只能得到單塊材料，生產效率和材料尺寸不能滿足實際應用的需求。運用無機法制備SiBCN陶瓷材料，生產效率低，材料的尺寸和密度等綜合指標不能滿足實際應用的需要，這極大限制了SiBCN陶瓷材料在工程方面的應用。

發明內容