[发明专利]一种Si3N4‑BN‑MAS陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氮化硅基陶瓷复合材料领域；具体涉及一种Si₃N₄-BN-MAS陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着航空航天技术的快速发展以及航天器飞行马赫数的提高，对飞行器天线罩用防热透波材料提出了更高的要求。飞行马赫数的不断上升，使得天线罩需要承受更高的气动冲击和气动热，同时在该条件下还需保持对电磁波的高透明度和低失真率。因此，发展具有优良的机械性能、耐热性能和介电性能的防热透波材料对航空航天、军事国防等领域具有重要意义。

但是目前传统的天线罩用陶瓷材料在单独使用时均存在一定的不足，例如氧化铝陶瓷热膨胀系数较大，导致其抗热冲击性能较差；微晶玻璃熔点较低，高温介电损耗较大，导致其应用受到一定限制；石英玻璃、BN陶瓷力学性能不高、易吸潮、抗雨蚀能力不足；单相氮化硅在高温和常温下都具有良好的力学性能，同时还具有良好的热稳定性、高的耐冲蚀性能，但介电常数偏高，力学性能较差；而BN介电性能优异、可加工性良好，但力学性能较低，耐冲刷能力差，研究表明，将Si₃N₄基体与BN颗粒增强体复合，可制成综合性能优异的透波复合材料，能满足高马赫数飞行条件下对天线罩材料防热、承载、透波等要求，是近年来高温透波领域研究的热点之一。由此可见，开发研制具有良好综合性能的防热透波结构功能一体化陶瓷材料正是新一代天线罩材料的重要发展方向。

目前，Si₃N₄-BN复合陶瓷的制备主要采用常压烧结、反应烧结、热压烧结和放电等离子烧结等方式。常压烧结和反应烧结制备的复合陶瓷致密度不高，缺陷较多，因此，往往力学性能较差，难以满足实际应用的需要。虽然放电等离子烧结烧结的加热速度快、时间短等优点有助于获得想能良好的块体材料，但SPS能量密度高，控制不当易造成晶粒过分长大，同时，SPS烧结设备昂贵，其过程中复杂的现象和机理尚未研究透彻，SPS烧结技术目前仍处于实验室研究阶段。热等静压烧结设备昂贵，工艺复杂，制备成本高，因而其应用范围受到限制。相比之下，本专利所采用的热压烧结工艺应用更为广泛，成本低廉，制造周期短，且能保证最终制品致密度高，性能优良；成型容易，不仅适合于实验室材料研究，也适合于复杂件制备，同时也是制备致密氮化硅陶瓷的主要烧结方式。热压烧结在加温同时施加一定的轴向压力，加压有助于原料粉体颗粒间的接触、扩散和流动等，加快原料粉体的重排和致密化过程，可制备出综合性能优异的Si₃N₄-BN陶瓷复复合材料。

氮化硅系强共价键化合物，在1700℃会明显分解，因此不能用熔体加工而成，又因为其自扩散系数很小，致密化所必须的体积扩散及晶界扩散速度也很小，同时它的晶界能与粉末表面能的比值比其他离子化合物及金属大的多，致使烧结驱动力(粉末的表面能-烧结体的晶界能)很小。氮化硅烧结不是通过简单的固相烧结，必须通过液相烧结达到致密化。所以，在确定合适烧结工艺的前提下烧结过程中必须添加一定量的烧结助剂，促进复合陶瓷的致密化过程。MAS(MgO-Al₂O₃-SiO₂)系微晶玻璃是最常见的微晶玻璃体系之一，具有优异的抗离子侵蚀能力、低热膨胀系数以及低介电常数和介电损耗，以及优异的力学性能。MgO在其中起到一定的断网作用，降低了微晶玻璃的软化点温度和高温粘度，使其能够在较低温度下产生液相，形成低温液相烧结。

发明内容

本发明要解决现有氮化硅基陶瓷材料生产过程中烧结温度过高、烧结压力过大、机械加工性能差导致成本高、效率低的技术问题；而提供了一种Si₃N₄-BN-MAS陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明一种Si₃N₄-BN-MAS陶瓷复合材料Si₃N₄-BN-MAS陶瓷复合材料按照质量分数是由1.0～1.5％的MgO粉末、3.2～3.8％的Al₂O₃粉末、5.0～5.5％的SiO₂粉末、0.01～50％的BN粉末和余量的α-Si₃N₄粉末制成的。具体是按下述步骤进行的：