[发明专利]一种硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

天线罩是制导武器弹头结构的重要组成部分，又是保护天线系统不受由高速飞行造成的恶劣气动环境影响的屏障，是一种集透波、防热、承载和抗蚀等多功能于一体的部件，因此天线罩材料要满足介电性能、力学性能、三防、寿命、工艺性和重量等要求。对于高超音速导弹而言，天线罩候选材料主要是氮化硅基陶瓷复合材料。氮化硅(Si₃N₄)陶瓷虽然具有优异的机械性能、高的热稳定性、较低的介电常数和介电损耗，但是单相的氮化硅陶瓷材料存在介电常数和介电损耗角正切大的问题。Si-B-O-N复合材料综合了SiO₂和BN的优点，在保持SiO₂和BN介电性能的同时，具有更稳定的热物理性能和更优异的介电性能。但是，硅硼氧氮强度较低而且易吸潮，不能单独制作天线罩。利用硅硼氧氮、氮化硅各自的优点可以制备出综合性能优异的天线罩复合材料。

王重海等（硅酸盐通报,2005,(6)：43-45）通过改变纳米SiO₂含量，分析得出了对Si₃N₄/BN组成的复合材料物理性能、力学性能、介电性能的影响规律：当掺加的纳米SiO₂质量分数为5%时，复合材料的抗弯强度为174.83MPa，介电常数为4.0。王思青等（国防科技大学学报，2006,28(2)：44-47）以Si粉、BN粉、SiO₂粉为主要原料，采用反应烧结法制备Si₃N₄基复相陶瓷材料，结果表明：当原料中Si、BN和SiO₂分别为55%、30%和10%时，材料强度为96.7MPa，断裂韧性可达1.80MPa·m^1/2，同时材料具有良好的介电性能及热物理性能。

上述研究及现有技术通过氮化硼和二氧化硅颗粒与氮化硅复合，在某种程度上提高了氮化硅的介电性能，但也不可避免地降低了氮化硅的力学性能。

发明内容

针对现有技术的不足,本发明提供一种具有优良力学性能、介电性能、耐温性能和耐烧蚀性能的硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料，由以下质量比的原料成分混合、成型、烧结而成：氮化硅80～90wt.%，硅硼氧氮纤维3~10wt.%和烧结助剂3～10wt.%；各成分用量之和为100%。

所述氮化硅为高纯亚微米颗粒，其中按质量比，α相氮化硅含量不低于93％，游离硅含量不大于0.3％，平均粒径为0.4~0.6微米。

所述硅硼氧氮纤维，长径比30~80，直径1~3微米。

所述的烧结助剂选用氧化钇、氧化铝、钇铝石榴石的一种或几种，粒径0.5～1微米。

根据本发明优选的，硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料的原料组分质量比如下：

氮化硅85~90wt.%，硅硼氧氮纤维5~10wt.%和烧结助剂5~8wt.%。

根据本发明优选的，硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料的原料组分质量比如下：

氮化硅87wt.%，硅硼氧氮纤维5wt.%和烧结助剂8wt.%。

根据本发明，所述硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料采用以下方法制得：

将原料硅硼氧氮纤维、氮化硅粉和烧结助剂混合；加入原料总重量0.5-1.2%的成型添加剂，球磨制成陶瓷浆料，直接采用注浆成型，或者将浆料干燥、制粉后采用等静压工艺成型；成型坯体经干燥后，在5～8MPa氮气气氛压力下、1700～1850℃保温1～3小时的条件下烧结。

本发明所说的注浆成型、等静压工艺成型均按本领域现有技术即可。

根据本发明，硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）将硅硼氧氮纤维、氮化硅、烧结助剂按比例称量混合，加入原料总重量0.3-1.2%的成型添加剂，球磨混合1～2h制成混合均匀的陶瓷浆料；

（2）将陶瓷浆料经处理后采用石膏模具注浆成型，或者将浆料通过干燥、制粉后得到硅硼氧氮纤维/氮化硅复合粉体再采用等静压成型；

（3）所得成型坯体经干燥后，在氮气气氛压力为4～8MPa，1700～1850℃条件下烧结、保温1～3小时，而后随炉自然冷却至室温，制得硅硼氧氮纤维/氮化硅陶瓷复合材料。