石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法技术

石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。本发明专利技术涉及石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。本发明专利技术是为解决现有的硅硼碳氮陶瓷复合材料强度低、韧性差、热震及烧蚀机理不明的问题。产品：按体积份数由90～99份SiBCN非晶粉末和1～10份石墨烯制成。方法：一、将硅粉、石墨和六方氮化硼加入到球磨机中，在氩气保护下进行球磨，得到SiBCN非晶粉末；二、将SiBCN非晶粉末和石墨烯球磨混合均匀得到混合粉体；三、将混合粉体进行放电等离子烧结，得到石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
近年来SiBCN复合陶瓷以其优越的高温稳定性和良好的力学性能而受到广大研宄者的关注，此类复合材料甚至可以满足〈2000°C使用要求，显示出良好的应用前景。采用某些有机聚合物先驱体裂解法制备的SiBCN复合陶瓷其性能表现优越，有文章报道出该方法制备的SiBCN陶瓷在氩气条件下加热到1700°C仍然能保持基体非晶态，而该体系陶瓷结构发生不可逆破坏的温度更是达到了 2000°C。在某些实验条件制备出来室温强度能达到4.0GPa的SiBCN3纤维，从室温加热到1400°C时该纤维仍然能保持95%的残余强度，而且抗氧化性能更是远远的优于碳纤维。虽然SiBCN复合陶瓷有着优越的高温稳定性和良好的力学性能，但是目前该体系陶瓷存在致密度不高、断裂韧性值较低以及微观结构与抗氧化机理关系不明等原因限制了其在实际问题中的使用。仅有少量的学者研宄得出B元素含量对SiBCN复合陶瓷析晶和分解有着极其重要的作用，更多的工作主要是围绕SiBCN复合陶瓷的制备工艺来展开，有关SiBCN复合陶瓷的韧化、增韧机制和高温性能的研宄鲜有报道。尽管SiBCN陶瓷以其优越的高温性能得到了广大研宄者的认同，但是该体系的材料依旧无法避免陶瓷材料韧性差则一固有的缺陷，在受到外力作用或者是热震以及烧蚀等极端服役条件下很容易发生相分解、析晶和萌生裂纹导致材料脆断。常用的改善该陶瓷体系的方法主要是引入性、提高材料在极端服役条件下的性能，常用的方法是引入陶瓷颗粒(如SiCp、Si3N4P、BNp、Al2O3P、ZrO2P等)、纤维(如Cf、S12f、51(^等)或纤维织物作为第二相构成复合材料，其中纤维增强复合材料是一种十分有效的材料增韧方法。纤维增强陶瓷基复合材的机理主要是纤维的桥联和拔出、裂纹偏转、裂纹能量的耗散以及因模量不同引起的载荷转移等。石墨烯拥有巨大的比表面积，在氮化硅和氧化铝基复合材料中增韧效果显著，因此石墨烯的增韧效果往往比相同体积分数的纤维要好。目前采用高能球磨法制备SiBCN复合陶瓷是以Si粉、C粉和h-BN粉为原料，纳米非晶态SiBCN复合陶瓷粉末可以通过优化球磨工艺参数来得到，块体的复合陶瓷的制备可采用热压或者等离子体烧结得到。利用机械合金化法制备SiBCN复合陶瓷方面虽然有着工艺流程简单、成本低和产量高等优点，但是机械合金化后的粉末存在着纯度和组织均匀性较先驱体裂解法低。1800°C等离子体烧结制备纯的SiBCN陶瓷，其室温强度仅仅为64.80±6.83MPa，断裂韧性值为0.72±0.15MPa.ι?1/2，远远低于热压烧结制备纯的SiBCN陶瓷，为了提高SiBCN陶瓷的强度及韧性，综合考虑石墨烯在高温长时间作用下结构不稳定特点，采用等离子体烧结制备硅硼碳氮陶瓷。
技术实现思路
本专利技术是为解决现有的硅硼碳氮陶瓷复合材料强度低、韧性差、热震及烧蚀机理不明的问题，而提供一种。本专利技术的石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料按体积份数由90?99份SiBCN非晶粉末和I?10份石墨稀制成；所述的SiBCN非晶粉末由硅粉、石墨和六方氮化硼制成；其中所述的SiBCN非晶粉末中Si元素与C元素的摩尔比为2: (2.5?3.5)，其中所述的SiBCN非晶粉末中Si元素与B元素的摩尔比为2: (0.5?1.5)。本专利技术的石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法按照以下步骤进行:一、将硅粉、石墨和六方氮化硼加入到球磨机中，在氩气保护下进行球磨，球料质量比为20:1，磨球直径为10mm，球磨时间为18h?22h，得到SiBCN非晶粉末；所述的SiBCN非晶粉末中Si元素与C元素的摩尔比为2: (2.5?3.5)，其中所述的SiBCN非晶粉末中Si元素与B元素的摩尔比为2: (0.5?1.5)；二、按体积份数称取90?99份步骤一得到的SiBCN非晶粉末和I?10份石墨烯，然后在超声频率为20KHz?30KHz下球磨至混合均匀，球料质量比为20:1，磨球直径为10mm，得到混合粉体；三、将步骤二得到的混合粉体进行放电等离子烧结，得到石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料；所述的放电等离子烧结的条件为:烧结温度为1800?1900°C，压力为40MPa，烧结气氛为真空，烧结保温时间为3min?5min。本专利技术的有益效果本专利技术的方法制备得到的石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料优异的高温抗氧化性能和耐高温性能，其抗弯强度为135MPa?196MPa，弹性模量为95GPa?151GPa，硬度为2.4GPa?5.4GPa，断裂韧性为3.04MPa.m1/2?5.40MPa.m 1/2，不同体积分数石墨烯的加入对石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料(Graphene/SiBCN陶瓷复合材料)的断裂韧性有显著性的改善作用，该Graphene/SiBCN陶瓷复合材料断裂韧性值随着石墨烯含量的增加而增大，石墨稀含量为5vol%时，该Graphene/SiBCN陶瓷复合材料断裂韧性达到了最大5.40±0.63MPa.m1/2，相对于纯的 SiBCN 陶瓷，韧性增加了 650%，Graphene/SiBCN 陶瓷复合材料中石墨烯的增韧机制有:石墨烯的拔出、桥联、裂纹穿透石墨烯和裂纹偏转(单裂纹偏转、双裂纹偏转、三维方向偏转)；石墨烯的加入使得该Graphene/SiBCN陶瓷复合材料的抗弯强度、弹性模量和断裂韧性都有很大的提高，但石墨烯的加入也使得其致密度和维氏硬度有所下降。石墨烯含量为Ivol %的Graphene/SiBCN陶瓷复合材料在1100°C下表面孔洞较多，随着温度的升高到1300°C，不同成分的复合陶瓷氧化层致密光滑，与基体结合良好。在1500°C氧化温度下，石墨烯含量为Ivol %的Graphene/SiBCN陶瓷复合材料抗氧化性能表现优越，氧化层致密且与基体保持很好的强度结合，其余两种成分的Graphene/SiBCN陶瓷复合材料在该温度下氧化表面生成了海绵状的S12S孔结构，氧化表面粗糙多孔。在1600°C下，S12流动性增强因而填充了大部分微小孔洞，在表面仍然存在着直径较大的孔洞，总体而言三种复合陶瓷在该温度下氧化层表面致密光滑，与基体结合界面良好，经过1400°C热震保温1min后，在石墨烯含量为Ivol % Graphene/SiBCN陶瓷复合材料和石墨稀含量为2vol% Graphene/SiBCN陶瓷复合材料断口上均可以看到大片石墨稀被拔出的现象，残余强度分别为28.26Mpa±5.67Mpa和35.49Mpa±5.23Mpa，石墨烯含量为5vol%Graphene/SiBCN陶瓷复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.0185g/s和0.0092mm/s，石墨烯含量为1vol % Graphene/SiBCN陶瓷复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.0326g/s和0.0125mm/s，纯SiBCN陶瓷的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.0121g/s和0.0071mm/s,由以上数据可知，石墨稀含量为5vol % Graphene/SiBCN陶瓷复合材料和石墨烯含量为1vol % Graphene/SiBCN陶瓷复合材料的抗烧蚀性能要优于纯SiBCN陶瓷。本专利技术石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料制备中所使用的原料原料容易获得，本文档来自技高网...

【技术保护点】
石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料，其特征在于石墨烯增强硅硼碳氮陶瓷复合材料按体积份数由90～99份SiBCN非晶粉末和1～10份石墨烯制成；所述的SiBCN非晶粉末由硅粉、石墨和六方氮化硼制成；其中所述的SiBCN非晶粉末中Si元素与C元素的摩尔比为2:(2.5～3.5)，其中所述的SiBCN非晶粉末中Si元素与B元素的摩尔比为2:(0.5～1.5)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨治华，李达鑫，贾德昌，周玉，梁斌，王胜金，蔡德龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23