一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法。该方法采用硼酸三丁酯和正硅酸乙酯为原料，依次在商用h-BN粉体表面包覆纳米B2O3和SiO2层，然后采用无压烧结技术获得氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷。本发明专利技术的制备方法操作简单、工艺条件容易控制，成本低廉，适合工业化生产，通过在h-BN粉体表面包覆B2O3和SiO2层实现对h-BN粉体的化学改性，结合无压烧结技术实现h-BN颗粒的原位纳米化，从而制备出力学性能良好的氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷材料。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法
本专利技术属于陶瓷材料
，涉及氮化硼复相陶瓷的制备方法，特别涉及一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法。
技术介绍
六方氮化硼陶瓷具有优良的高温抗氧化性能、抗热震性能、化学惰性、电绝缘性、热传导性、可加工性，以及不与大多数玻璃和金属熔体浸润的特性，因而具有广泛的工程应用前景。h-BN的结构与石墨类似，均为层状结构，层内为强sp2杂化共价键，而层间是弱范德华力，高温自扩散系数低，很难烧结致密化，通常是采用热压或热等静压工艺制备h-BN陶瓷制品。将h-BN引入氮化硅基体可提高氮化硅/六方氮化硼复相陶瓷对高温金属熔体的耐腐蚀性能、抗热震性能以及可加工性，但是由于h-BN的难烧结性，通常也采用热压烧结技术制备Si3N4/h-BN复相陶瓷。对此工艺而言，由于混料和烧结过程中h-BN颗粒的自团聚作用会降低所制备复相陶瓷的机械性能，所以，目前主要是采用化学包覆法在Si3N4颗粒表面包覆纳米氮化硼层，然后再采用热压技术制备Si3N4/h-BN纳米复相陶瓷(JournaloftheAmericanCeramicSociety,2002,85(11):2678-2688；MaterialsScienceandEngineering:A,2006,415:145-148；MaterialsScienceandEngineering:A,2008,483-484:207-210)，对此工艺而言，虽然所制备Si3N4/h-BN纳米复相陶瓷力学性能优异，但是成本较高，工艺复杂，应用范围受限。除此之外，张国军研究组以Si粉和h-BN为原料，采用反应烧结工艺制备Si3N4/h-BN复相陶瓷(CeramicsInternational,2009,35:2155-2159)，此工艺所制备复相陶瓷致密度较低，气孔率偏高，力学性能较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于改进Si3N4/h-BN复相陶瓷现有制备技术的不足，提供一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法。该方法操作简单、工艺条件容易控制、成本较低，适合于工业化生产。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1)将六方氮化硼与无水乙醇混和均匀配制成六方氮化硼浆料，向六方氮化硼浆料中加入硼酸三丁酯的乙醇溶液，六方氮化硼与硼酸三丁酯的摩尔比为1：(0.005～0.05)；搅拌充分反应后，将乙醇蒸出得到混合粉体A；将所得混合粉体A烘干后，置于管式烧结炉，通入保护气氛，在200～500℃下处理0.5～6h，即得到表面包覆纳米氧化硼粒子层的六方氮化硼粉体；2)将上述包覆氧化硼层的六方氮化硼与无水乙醇混和均匀，加入正硅酸乙酯的乙醇溶液，六方氮化硼与正硅酸乙酯的摩尔比为1：(0.005～0.05)；搅拌充分反应后，将乙醇蒸出得到混合粉体B；将所得混合粉体B烘干后，置于管式烧结炉，通入保护气体，在170～500℃下处理0.5～6h，得到表面改性的氮化硼粉体，即表面依次包覆纳米氧化硅和氧化硼层的六方氮化硼粉体；3)按照质量百分比计，称取氮化硅80～90％，稀土氧化物5～15％，氧化铝1～8％，然后再掺入体积比为0～30％的表面改性的氮化硼粉体，将混合粉体进行湿法球磨，再将浆料进行烘干、研磨、过筛、造粒、模压成型、冷等静压处理制备出生坯；生坯在300～600℃下排胶8～24h，将排胶处理后的生坯置于气氛烧结炉，在保护气气氛下，以5～15℃/min的速率升温至1500～1850℃进行无压烧结，保温0.5～4h，即制得氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷材料。作为本专利技术的进一步改进，所述六方氮化硼粉体的纯度大于98％，粒径≤10μm。作为本专利技术的进一步改进，步骤1)所述六方氮化硼与无水乙醇混和体积比为1：(3～10)；所述的硼酸三丁酯的乙醇溶液质量浓度为1～50％。作为本专利技术的进一步改进，所述包覆氧化硼层的六方氮化硼与无水乙醇混和体积比为1：(3～10)；所述的正硅酸乙酯的乙醇溶液质量浓度为1～50％。作为本专利技术的进一步改进，硼酸三丁酯的乙醇溶液与正硅酸乙酯的乙醇溶液均采用滴加的方式加入，滴加速度均为1～30ml/min。作为本专利技术的进一步改进，步骤1)和步骤2)中搅拌均采用磁力搅拌，搅拌速率为10～1000rpm，搅拌时间为1～12h，；烘干工艺为：温度90℃烘干1-6h；乙醇蒸出步骤是在旋转蒸发仪内进行。作为本专利技术的进一步改进，稀土氧化物为氧化钇、氧化镧或氧化钐。作为本专利技术的进一步改进，步骤3)所述湿法球磨是将混合之后粉体装入球磨罐，按照料球质量比1:3的比加入玛瑙球，再加入无水乙醇，总量不超过球磨罐容积的2/3，然后在行星球磨机上以200～450r/min的转速湿磨2～12h。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤3)造粒工艺所用的溶液为浓度为4～8wt％的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液加入量占造粒工艺中原料总和的5～10％。作为本专利技术的进一步改进，步骤3)中冷等静压处理的压力为100-200MPa；排胶是将生坯置于马弗炉中进行；将排胶处理后的生坯放入石墨坩埚，置于气氛烧结炉进行烧结。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法，采用硼酸三丁酯和正硅酸乙酯为原料，依次在商用六方氮化硼粉体表面包覆纳米氧化硼和二氧化硅粒子层，将表面化学改性后的六方氮化硼粉体与商用氮化硅粉体、烧结助剂粉体混合，经球磨搅拌、干燥、造粒、成型、排胶工艺后，在气氛烧结炉中于1500～1850℃进行无压烧结制备而成。本专利技术的制备方法操作简单、工艺条件容易控制，成本低廉，适合工业化生产，通过在h-BN粉体表面包覆B2O3和SiO2层实现对h-BN粉体的化学改性，结合无压烧结技术实现h-BN颗粒的原位纳米化，从而制备出力学性能良好的氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷材料。该纳米复相陶瓷材料致密度大于90％，该技术所制备的氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷可作为透波材料、耐火材料等，在航空航天，冶金等领域具有广阔的应用前景。具体机理及优点表现为：(1)采用硼酸三丁酯和正硅酸乙酯为原料，以无水乙醇为分散介质，依次对六方氮化硼粉体进行表面化学改性，利用硼酸三丁酯以及正硅酸乙酯在惰性气氛下的热分解依次在h-BN粉体表面包覆纳米氧化硼和二氧化硅层。现有氮化硅/六方氮化硼复相陶瓷材料制备技术要么是利用硼源和氮源(例如硼酸和尿素)的高温化学反应在氮化硅颗粒表面原位生成纳米氮化硼层，要么就是利用硅粉与氮气发生氮化反应原位生成氮化硅，本专利技术则是对六方氮化硼粉体进行表面化学改性。相对于现有氮化硅/六方氮化硼复相陶瓷材料制备技术，本专利技术提出的方法更简单，操作更容易控制，处理温度更低，而且原料很容易获得，成本较低，部分原料(如无水乙醇)还可以回收并能重复利用，进一步降低成本，特别适合大规模生产。(2)通过在h-BN粉体表面包覆氧化硼和二氧化硅纳米层实现对h-BN粉体的表面化学改性，表面改性层可在较低的温度下与所添加烧结助剂(如稀土氧化物和氧化铝)形成低共熔液相，在无压烧结过程中利用玻璃相的高温粘性流动对改性后的h-BN颗粒进行原位液相剥离，从母体h-BN颗粒剥离的h-BN片层随着玻璃相的流动均匀分布，部分作为bet本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将六方氮化硼与无水乙醇混和均匀配制成六方氮化硼浆料，向六方氮化硼浆料中加入硼酸三丁酯的乙醇溶液，六方氮化硼与硼酸三丁酯的摩尔比为1：(0.005～0.05)；搅拌充分反应后，将乙醇蒸出得到混合粉体A；将所得混合粉体A烘干后，置于管式烧结炉，通入保护气氛，在200～500℃下处理0.5～6h，即得到表面包覆纳米氧化硼粒子层的六方氮化硼粉体；2)将上述包覆氧化硼层的六方氮化硼与无水乙醇混和均匀，加入正硅酸乙酯的乙醇溶液，六方氮化硼与正硅酸乙酯的摩尔比为1：(0.005～0.05)；搅拌充分反应后，将乙醇蒸出得到混合粉体B；将所得混合粉体B烘干后，置于管式烧结炉，通入保护气体，在170～500℃下处理0.5～6h，得到表面改性的氮化硼粉体，即表面依次包覆纳米氧化硅和氧化硼层的六方氮化硼粉体；3)按照质量百分比计，称取氮化硅80～90％，稀土氧化物5～15％，氧化铝1～8％，然后再掺入体积比为0～30％的表面改性的氮化硼粉体，将混合粉体进行湿法球磨，再将浆料进行烘干、研磨、过筛、造粒、模压成型、冷等静压处理制备出生坯；生坯在300～600℃下排胶8～24h，将排胶处理后的生坯置于气氛烧结炉，在保护气气氛下，以5～15℃/min的速率升温至1500～1850℃进行无压烧结，保温0.5～4h，即制得氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷材料。...

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将六方氮化硼与无水乙醇混和均匀配制成六方氮化硼浆料，向六方氮化硼浆料中加入硼酸三丁酯的乙醇溶液，六方氮化硼与硼酸三丁酯的摩尔比为1：(0.005～0.05)；搅拌充分反应后，将乙醇蒸出得到混合粉体A；将所得混合粉体A烘干后，置于管式烧结炉，通入保护气氛，在200～500℃下处理0.5～6h，即得到表面包覆纳米氧化硼粒子层的六方氮化硼粉体；所述六方氮化硼与无水乙醇混和体积比为1：(3～10)；所述的硼酸三丁酯的乙醇溶液质量浓度为1～50％；所述包覆氧化硼层的六方氮化硼与无水乙醇混和体积比为1：(3～10)；所述的正硅酸乙酯的乙醇溶液质量浓度为1～50％；硼酸三丁酯的乙醇溶液与正硅酸乙酯的乙醇溶液均采用滴加的方式加入，滴加速度均为1～30ml/min；2)将上述包覆氧化硼层的六方氮化硼与无水乙醇混和均匀，加入正硅酸乙酯的乙醇溶液，六方氮化硼与正硅酸乙酯的摩尔比为1：(0.005～0.05)；搅拌充分反应后，将乙醇蒸出得到混合粉体B；将所得混合粉体B烘干后，置于管式烧结炉，通入保护气体，在170～500℃下处理0.5～6h，得到表面改性的氮化硼粉体，即表面依次包覆纳米氧化硅和氧化硼层的六方氮化硼粉体；步骤1)和步骤2)中搅拌均采用磁力搅拌，搅拌速率为10～1000rpm，搅拌时间为1～12h，；烘干工艺为：温度90℃烘干1-6h；乙醇蒸出步骤是在旋转蒸发仪内进行；3)按照质量百分比...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永锋，刘维红，张博，商世广，赵萍，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61