[發明專利]一種氮化硼納米管/納米片-碳化硼陶瓷復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202111005864.9
• 申請日: 2021-08-30
• 公開（公告）號: CN113735586B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 王恒;曾義;楊小晗;李哲成;劉凱;徐慢
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/80;C04B35/622
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明;李艷景

本發明公開了一種氮化硼納米管/納米片?碳化硼陶瓷復合材料及其制備方法。其制備為：在去離子水中依次加入表面活性劑和碳化硼粉體，混合均勻得碳化硼懸浮液，繼續加入氮化硼納米管/納米片雜化粉體，攪拌、超聲、冷凍干燥得到氮化硼納米管/納米片?碳化硼復合粉體，最后置于氬氣氣氛下熱壓燒結，隨爐冷卻至室溫，得到氮化硼納米管/納米片?碳化硼陶瓷復合材料；其中氮化硼納米管/納米片雜化粉體為氮化硼納米片上原位生長氮化硼納米管形成的雜化結構。該方法所得陶瓷復合材料中，氮化硼納米管/納米片在碳化硼陶瓷復合材料中均勻分散，能同時發揮氮化硼納米管和納米片的強韌化優勢及其多維度協同效應，顯著提升碳化硼陶瓷材料的強度和韌性。

技術領域

本發明屬于先進結構陶瓷材料領域，具體涉及一種氮化硼納米管/納米片-碳化硼陶瓷復合材料及其制備方法。

背景技術

低維增強相強韌化的碳化硼(B₄C)陶瓷基復合材料具有高比強度、高比模量、高硬度、低密度，以及高斷裂韌性和高斷裂功等優良特性，是一類重要的輕質陶瓷裝甲材料，是國防建設與現代工業的重要支撐材料之一。隨著應用領域和服役環境的不斷拓展，對碳化硼陶瓷基復合材料的韌性、強度和可靠性提出了更高的要求。

氮化硼納米材料(納米管、納米片)具有高楊氏模量和高斷裂強度的優點，如：利用透射電子顯微鏡-原子力顯微鏡(TEM-AFM)測得直徑為11.9～44.3nm的單根氮化硼納米管(BNNTs)的斷裂強度為14.1～33.2GPa，斷裂應變為1.5～3.4％，楊氏模量為725～1343GPa(Wei X L,et al.Adv Mater.,2010,22,4895)，與理論預測較為吻合(Hernández E,etal.Phys Rev Lett.,1998,80,4502)。利用AFM研究氮化硼納米片(BNNSs)的力學性能發現：氮化硼層間較大的滑移能可以阻止片層間的移動，厚度變化(1～9層)對BNNSs的力學性能影響不大，斷裂強度為70.5±5.5GPa，楊氏模量為0.865±0.073TPa(Falin A,et al.NatCommun.,2017,8,15815)。

力學性能優異的氮化硼納米管和納米片是陶瓷基復合材料中有效的無機納米添加相。日本國立材料研究所的學者率先研究了含BNNTs的Al₂O₃和Si₃N₄陶瓷復合材料，結果表明：僅添加0.5wt％的BNNTs，Al₂O₃陶瓷在1300℃下產生了脆性-延性的轉變趨勢；Si₃N₄陶瓷在同樣的變形條件下能降低75％的載荷應力(Huang Q,et al.Nanotechnology,2007,18,485706)。BNNTs在ZrO₂陶瓷復合材料中能強化ZrO₂的晶界、改變材料的斷裂方式(由沿晶斷裂變為穿晶斷裂)、影響ZrO₂的相變(產生相變增韌機制)、提高ZrO₂陶瓷復合材料的韌性(Xu J J,et al.Mat Sci Eng A.,2012,546,301.Tatarko P,et al.J Eur Ceam Soc.,2014,34,1829)。對于含氮化硼納米片的Si₃N₄陶瓷材料，BNNSs在Si₃N₄陶瓷中產生裂紋橋接和鈍化效應，提高Si₃N₄的斷裂韌性和彎曲強度；BNNSs包裹在Si₃N₄晶粒上形成潤滑膜，降低Si₃N₄的摩擦系數，提高其耐磨性(Lee B,et al.Sci.Rep.,2016,6,27609)。在B₄C陶瓷中加入5wt％的立方相氮化硼進行放電等離子燒結，氮化硼會由立方相轉變為六方相，原位形成的六方相氮化硼薄片在B₄C基體上也能夠吸收裂紋擴展所需能量，B₄C陶瓷材料的彎曲強度和斷裂韌性分別提高了32.7％和58.6％(Sun J C,et al.J Eur Ceam Soc.,2020,1103)。