一種六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及陶瓷基復合材料領域，具體為一種六方氮化硼(h-BN)-鐿硅氧(Yb2Si2O7)-二氧化硅(S12)復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在氮化硼的多種結晶形態中，以六方氮化硼(h-BN)最為穩定。文獻1:歐陶(Journal of European Ceramic Society 28, 1105-1109(2008))中 Eichler 等人，文獻 2:歐陶(Journal of European Ceramic Society 5,3-9(1989))中 Lipp 等人，以及文獻 3:美陶(Journal of American Ceramic Society 68, 131-135 (1985))中 Frederikse 等人研宄表明，六方氮化硼具有優越的耐高溫性，抗熱震性，高熱導率，高化學穩定性，無毒性，環境安全性和不濕潤性等，因而在諸多工程領域得到了廣泛應用。
[0003]然而，由于純h-BN強度和硬度偏低，限制了其作為結構材料的使用。引入硬質陶瓷顆粒是提高其強度的有效方法之一。作為一種引入顆粒增強相的方法，原位合成具有相界面潔凈、力學性能好等優點。另外，由于增強相是原位合成的，與通常的先制備出增強相，再和基體機械混合方法相比，制備成本大為降低。
[0004]Yb2Si2O7作為一種稀土娃酸鹽陶瓷材料。文獻4:無機化學(Inorganic Chemistry49, 1942-1949 (2010))中 Chen 等人和文獻 5:歐陶(Journal of European CeramicSociety 21,471-475(2001))中Choi等人研宄表明，Yb2Si2O7是一種潛在的絕熱陶瓷材料，具有優異的熱穩定性和結構穩定性，其熱膨脹系數也與多數硅基陶瓷相近。因而，相關的文獻多是集中在以Yb2O3或者Yb 203-Si02#為燒結添加劑來增強Si 3N4陶瓷材料性能的研宄。文獻 6:陶瓷國際(Ceramic Internat1nal 27, 621-628 (2001))中 Lu 等人發現，Yb2O3的加入使得材料的彎曲強度、顯微硬度和斷裂韌性都有所提高。文獻7:歐陶(Journal of European Ceramic Society 23, 371-378 (2003))中 Yang等人認為，合適的燒結添加劑和燒結條件是獲得優異力學性能的前提。文獻8:材料快報(Materials Letters57，3257-3264(2003))中Guo等人研宄表明，Yb2O3-S12摻雜的熱壓Si 3N4陶瓷在1400攝氏度時，四點斷裂韌性表現出有微裂紋作用的行為。
[0005]此外，非晶態S1^于其優異的介電性能，較低的熱膨脹系數和良好的化學穩定性也常被用以改善BN陶瓷的某些性能。并且，作為顆粒增強相的非晶態S12*有助于提高BN基體陶瓷的力學性能。文獻9:中南工業大學學報:(Journal of Central SouthUniversity and Technology 12, 31-34 (2005))中，王等人研宄發現，通過前驅體浸漬裂解法制備的8~5102陶瓷材料具有較好的彎曲強度，較低的介電常數和介電損耗。但是，此方法所制備的11-8~3102陶瓷材料其致密度較低，一般為69.0%?76.8% ;文獻10:歐陶(Journal of European Ceramic Society 20, 1923-1928(2000))中，Wen 等人研宄表明h-BN/Si02陶瓷材料是一種潛在的高溫介電材料，當氮化硼體積含量為60%時，復合材料力學性能最佳。
[0006]但是到目前為止，還沒有關于原位生成Yb2Si2O7和非晶態S1 2共同增強h-BN的報道。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料及其制備方法，將一種可加工陶瓷(h-BN)，一種有助于提高材料力學性能陶瓷(Yb2Si2O7)和一種具有優異的介電性能陶瓷(非晶態S12)進行復合，得到一種力學性能好、介電性能優異、易加工的h-BN-Yb2Si207-Si02復合材料；同時，提供一種操作簡單、工藝條件容易控制、成本低的原位反應熱壓制備方法。
[0008]本發明的技術方案是:
[0009]一種六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料，由六方氮化硼h-BN相、鐿硅氧Yb2Si2O7相和二氧化娃S1 2相組成，其中六方氮化硼相的體積百分數為50?95%，鐿娃氧相和二氧化硅相兩相體積百分數之和為5?50%，且鐿硅氧相和二氧化硅相兩相體積百分數在5?50%之間按需調配。
[0010]所述的六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料，復合材料中的鐿硅氧Yb2Si2O7相以顆粒或晶須形態存在，二氧化硅S1jg為非晶形態。
[0011]所述的六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料的制備方法，采用氮化硼BN粉、三氧化二鐿Yb2O3粉和二氧化硅S1 2粉為原料，復合材料中的鐿硅氧Yb 2Si207相由Yb 203和3102通過原位反應合成獲得；依據所要獲得的氮化硼、鐿硅氧和二氧化硅的體積比例稱取原料，原料粉經物理機械方法混合2?24小時，再烘干、過篩，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10?20MPa ;在通有保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為5?20°C /分鐘，燒結溫度為1600?1900°C、燒結時間為0.5?3小時、燒結壓強為10?40MPa。
[0012]所述的六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料的制備方法，氮化硼BN粉晶型為六方晶型，粒度范圍為0.5?10微米；三氧化二鐿Yb2O3粉的粒度范圍為200?400目；二氧化硅S12粉為結晶形態氧化硅，粒度范圍為200?400目。
[0013]所述的六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料的制備方法，復合材料中的鐿硅氧Yb2Si2O7相為原位熱壓反應制得，其中Yb 203:Si02的摩爾比為1:2，原位反應如下:
[0014]Yb203+2Si02—Yb 2Si207。
[0015]所述的六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料的制備方法，燒結方式為熱壓燒結，保護氣氛為氮氣、氬氣、氦氣或氖氣。
[0016]本發明的優點及有益效果是:
[0017]1、采用本發明方法能夠實現原位合成制備六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料，該材料具有物理和化學相容性好，較高的強度(尤其是原位晶須增強)以及優良的介電性能等。另外，該復合材料具有較低的硬度，因而保持了良好的可加工性，可被用普通刀具進行高精度的加工。
[0018]2、工藝簡單，成本低。在升溫過程中，超過某一溫度后，二氧化硅粉將與三氧化二鐿粉發生化學反應生成增強相鐿硅氧。同時，由于化學反應的發生，瞬間放出大量的熱以及不斷的升溫都使得生成的增強相鐿硅氧發生軟化。此外，過量的二氧化硅在與生成的鐿硅氧共存的情況下，其出現液相的溫度有所降低，從而可實現較低溫度的燒結致密化，降低了制備成本。
【附圖說明】
[0019]圖1.67vol.% h-BN-5vol.% Yb2Si207_28vol.% S12復合材料的背散射照片。
[0020]圖2.67vol.% h-BN_20vol.% Yb2Si207_13vol.% S12復合材料的 X 射線衍射譜。圖中，橫坐標為衍射角2 Θ (度)，縱坐標為強度(a.u.)。
【具體實施方式】
[0021]在【具體實施方式】中，本發明六方氮化硼(h-BN)-鐿硅氧(Yb2Si2O7)-二氧化硅(S12)復合材料，六方氮化硼相的體積百分數為50?95% (優選為67%，占復合材料總體積百分數的三分之二)，鐿硅氧相和二氧化硅相兩相體積百分數之和為5?50% (優選為33%,占復合材料總體積百分數的三分之一)，該復合材料密度為2.1?3.6g.cm_3o其中，鐿硅氧相由三氧化二鐿(Yb2O3)和二氧化硅(S12)通過原位反應合成制備。
[0022]該六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料的制備方法，依據所要獲得的氮化硼、鐿硅氧和二氧化硅的體積比例，采用氮化硼粉、三氧化二鐿粉和二氧化硅粉為原料。原料粉經物理機械方法混合2?24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10?20MPa。在通有保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為5?20°C /分鐘，燒結溫度為1600?1900 °C、燒結時間為0.5?3小時、燒結壓強為10?40MPa。復合材料中的鐿硅氧Yb2Si2O7相為原位熱壓反應制得，其中Yb203:Si02的摩爾比為1:2，原位反應如下:
[0023]Yb203+2Si02— Yb 2Si207。
[0024]其中，非晶形態二氧化硅(S12)相的存在，有利于抑制原料中Yb2O3與BN之間發生反應；同時，也使得Yb2Si2O7增強相不僅能夠以通常的顆粒形態出現，而且在某些成分及制備工藝條件下可以晶須形態出現，從而進一步改善了材料強度。物理機械方法混合是指，采用在陶瓷罐中用酒精作介質濕混球磨。
[0025]本發明中，所獲得六方氮化硼-鐿硅氧-二氧化硅復合材料的性能范圍如下:
[0026]楊氏模量為80?125GPa，維氏硬度1.0?3.0GPa，彎曲強度為150?256MPa，壓縮強度達到460?843MPa，介電常數為4.8?7.5，介電損耗為0.00086?0.15。