一种六方氮化硼-钇硅氧复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及陶瓷基复合材料领域，具体为一种六方氮化硼（h-BN）-钇硅氧（Y2SiO5）复合材料及其制备方法。该复合材料中六方氮化硼相的体积百分数为5～95%，钇硅氧相的体积百分数为5～95%。钇硅氧相由三氧化二钇（Y2O3）和二氧化硅（SiO2）通过原位反应合成制备，具体制备方法：原料为氮化硼粉、三氧化二钇粉和二氧化硅粉，其中Y2O3：SiO2的摩尔比为1:1。原料粉经物理机械方法混合2～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa，在通有保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5～20℃/分钟，烧结温度为1600～1900℃、烧结时间为1～5小时、烧结压强为10～40MPa。从而，采用本发明方法能够实现原位合成制备氮化硼-钇硅氧复合材料。
【专利说明】一种六方氮化硼-钇硅氧复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及陶瓷基复合材料领域，具体为一种六方氮化硼(h-BN)-钇硅氧(Y2SiO5)复合材料及其制备方法。 【背景技术】
[0002]在氮化硼的多种结晶形态中，以六方氮化硼(h-BN)最为稳定。文献1:欧陶(Journal of European Ceramic Society28, 1105-1109 (2008))中 Eichler 等人，文献 2:欧陶(Journal of European Ceramic Society5, 3-9(1989))中 Lipp 等人以及文献 3:美陶(Journal of American Ceramic Society68, 131-135 (1985))中 Frederikse 等人研究表明，六方氮化硼具有优越的耐高温性，抗热震性，高热导率，高化学稳定性，无毒性，环境安全性和较差的湿润性等，因而在诸多工程领域得到了广泛应用。
[0003]然而，由于纯的h-BN强度和硬度偏低，限制了其作为结构材料的使用。引入硬质陶瓷颗粒是提高其强度的有效方法之一。作为一种引入颗粒增强相的方法，原位合成具有相界面洁净、力学性能好等优点。另外，由于增强相是原位合成的，与通常的先制备出增强相，再和基体机械混合方法相比，制备成本大为降低。同时，第二相的加入还有可能提高其高温力学性能。
[0004]Y2SiO5作为一种娃酸盐陶瓷材料，文献4:欧陶(Journal of EuropeanCeramic Society28,2895-2901(2008))和文献 5:欧陶(Journal of EuropeanCeramic Society29，551-557 (2009))中孙等人研究表明，其具有低模量，低硬度，高抗损伤容性等特性，剪切变形阻力低，在微观形变上表现出一定的“微观塑性”，可以用硬质合金刀具加工，因此是一类“可加工陶瓷”。此外，这种硅酸盐陶瓷还具有优异的抗高温氧化和抗热腐蚀性能。Y2SiO5还可能作为环障涂层材料用于改善C/SiC或者SiC/SiC等复合材料的抗氧化性能。如文献6:美陶(Journal of American CeramicSociety83, 1351-1355 (2000))中 Aparicio 等人和文献 7:欧陶(Journal of EuropeanCeramic Society25, 1705-1715(2005))中 Lee 等人的研究。
[0005]到目前为止，还没有关于原位Y2SiO5颗粒增强h-BN复合材料的报道。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种六方氮化硼-钇硅氧复合材料及其制备方法，将两种可加工陶瓷(即h-BN和Y2SiO5)进行复合，得到一种力学性能好、易加工的h-BN-Y2Si05复合材料；同时，提供一种操作简单、工艺条件容易控制、成本低的原位反应热压制备方法。
[0007]本发明的技术方案是:
[0008]一种六方氮化硼-钇硅氧复合材料，由六方氮化硼h-BN相和钇硅氧Y2SiO5相组成，其中六方氮化硼相的体积百分数为5~95%,乾娃氧相的体积百分数为5~95%。
[0009]所述的六方氮化硼-钇硅氧复合材料的制备方法，依据所要获得的氮化硼和钇硅氧的体积比例，采用氮化硼粉、三氧化二钇粉和二氧化硅粉为原料，原料粉经物理机械方法混合2~24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10~20MPa，在通有保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5~20°C /分钟，烧结温度为1600~1900°C、烧结时间为I~5小时、烧结压强为10~40MPa。
[0010]所述的氮化硼粉为六方晶型，粒度范围为0.5~10微米；三氧化二钇和二氧化硅粉粒度范围为200~400目。
[0011]所述的钇硅氧为原位反应合成制得，其中Y2O3 =SiO2的摩尔比为1:1，原位反应如下:
[0012]Y203+S i O2 — Y2SiO5。
[0013]所述的烧结方式为热压烧结。
[0014]所述的保护气氛为氮气、氩气或氦气。
[0015]所述的物理机械方法混合采用在氮化硅罐中用酒精作介质湿混球磨。
[0016]本发明的优点及有益效果是:
[0017]1、采用本发明方法能够实现原位合成制备六方氮化硼-钇硅氧复合材料，本发明的六方氮化硼-钇硅氧复合材料具有较高的强度、良好的抗热震性能以及优异的介电性能等，但该复合材料具有较低的硬度，因而保持了良好的可加工性，可被用普通刀具进行高精度的加工。另外，钇硅氧的引入还可以改善氮化硼的高温强度。
[0018]2、工艺简单，成本低。在升温过程中，超过某一温度(如1500°C)后，三氧化二钇粉将与二氧化硅粉发生化学反应生成增强相钇硅氧。同时，由于化学反应的发生，瞬间放出大量的热使得生成的增强相钇硅氧发生软化，促进了复合材料的致密化，这就使得合成温度大大降低，从而降低了烧结成本，进一步提高温度是为了使致密化进行得更彻底。此外，本发明方法所选取的烧结温度较烧结纯氮化硼材料的烧结温度低。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1.BN-Y2SiO5复合材料的X射线衍射谱；
[0020]图2.BN-Y2SiO5复合材料的背散射照片。
【具体实施方式】
[0021]本发明六方氮化硼(h-BN)-钇硅氧(Y2SiO5)复合材料中六方氮化硼相的体积百分数为5~95% (优选为70~95%)，钇硅氧相的体积百分数为5~95% (优选为5~25%)，该复合材料密度为2.0~4.5g -Cm^30其中，钇硅氧相由三氧化二钇(Y2O3)和二氧化硅(SiO2)通过原位反应合成制备。
[0022]该六方氮化硼(h-BN)-钇硅氧(Y2SiO5)复合材料的制备方法，依据所要获得的氮化硼和钇硅氧的体积比例，采用氮化硼粉、三氧化二钇粉和二氧化硅粉为原料，其中Y2O3:SiO2的摩尔比为1:1。原料粉经物理机械方法混合2~24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10~20MPa，在通有保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5~20°C /分钟，烧结温度为1600~1900°C、烧结时间为I~5小时、烧结压强为10~40MPa。原料粉发生的原位化学反应为:
[0023]Y203+Si02 — Y2SiO5。
[0024]其中，氮化硼粉晶型为六方型，粒度范围为0.5~10微米；三氧化二钇粉和二氧化硅粉粒度范围为200~400目；烧结方式为热压烧结；保护气氛为氩气、氦气或氖气；物理机械方法混合采用在氮化硅罐中用酒精作介质湿混球磨。
[0025]本发明中，所获得氮化硼-钇硅氧复合材料的性能范围如下:
[0026]室温杨氏模量70~120GPa，维氏硬度0.5~4.0GPa,室温抗弯强度90~150MPa，室温压缩强度150~550MPa。介电常数为5.5~12.6，介电损耗为0.038~1.539。
[0027]本发明中，所获得六方氮化硼-钇硅氧复合材料的最佳性能如下:
[0028]室温杨氏模量70GPa，维氏硬度0.5GPa，室温抗弯强度150MPa，室温压缩强度550MPa，介电常数为5.5，介电损耗为0.038。此外，该复合材料还具有强度随温度升高而升高的特点，1200°C时抗弯强度可达170MPa。
[0029]下面通过附图和实施例进一步详述本发明。
[0030]实施例1:六方氮化硼相(h-BN) 95%-钇硅氧(Y2SiO5) 5%
[0031]将0.5微米六方氮化硼粉36.27克、粒度为200目的三氧化二钇粉2.95克和二氧化硅粉0.78克装入氮化硅罐中球磨2小时，烘干，经过80目筛子过筛，随后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa，再放入热压炉中热压烧结:升温速率为5°C /分钟，加热到1900°C后，烧结压强40MPa，保温5小时。整个烧结过程在氩气保护下进行，获得的反应产物经X射线衍射分析为BN和Y2SiO5两相。此时BN的体积含量约为95%，Y2SiO5的体积含量约为5%。本实施例中，该材料密度为2.1g.cm—3。力学性能测试表明:得到的复合材料的杨氏模量为70GP a，维氏硬度0.5GPa，弯曲强度为90MPa，压缩强度达到150MPa，介电常数为5.5，介电损耗为0.038。
[0032]实施例2:六方氮化硼相(h-BN) 70%-钇硅氧(Y2SiO5) 30%
[0033]将0.5微米六方氮化硼粉21.76克、粒度为200目的三氧化二钇粉14.41克和二氧化硅粉3.83克装入氮化硅罐中球磨8小时，烘干，经过80目筛子过筛，随后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为15MPa，再放入热压炉中热压烧结:升温速率为8V /分钟，加热到1800°C后，烧结压强30MPa，保温3小时。整个烧结过程在氩气保护下进行，获得的反应产物经X射线衍射分析为BN和Y2SiO5两相，如图1所示。此时BN的体积含量约为70%，Y2SiO5的体积含量约为30%。
[0034]图2为BN-Y2SiO5复合材料的背散射照片，可以看出Y2SiO5均匀分布于BN基体中，Y2SiO5的颗粒略有团聚，呈不规则形貌，尺寸约为几微米。本实施例中，该材料密度为
2.7g κπ3。力学性能测试表明:得到的复合材料的杨氏模量为77GPa，维氏硬度0.6GPa，弯曲强度为119MPa，压缩强度达到180MPa，介电常数为7.0，介电损耗为0.091。
[0035]实施例3:六方氮化硼相(h-BN) 50%-钇硅氧(Y2SiO5) 50%
[0036]将0.5微米六方氮化硼粉13.53克、粒度为200目的三氧化二钇粉20.91克和二氧化硅粉5.56克装入氮化硅罐中球磨12小时，烘干，经过80目筛子过筛，随后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为15MPa，再放入热压炉中热压烧结:升温速率为12°C /分钟，加热到1700°C后，烧结压强20MPa，保温2小时。整个烧结过程在氩气保护下进行，获得的反应产物经X射线衍射分析为BN和Y2SiO5两相。此时BN的体积含量约为50%，Y2SiO5的体积含量约为50%。本实施例中，该材料密度为3.1g.cm—3。力学性能测试表明:得到的复合材料的杨氏模量为80GPa，维氏硬度1.6GPa，弯曲强度为144MPa，压缩强度达到404MPa，介电常数为9.4,介电损耗为0.102。[0037]实施例4:六方氮化硼相(h-BN) 5%-钇硅氧(Y2SiO5) 95%
[0038]将0.5微米六方氮化硼粉13.53克、粒度为200目的三氧化二钇粉20.91克和二氧化硅粉5.56克装入氮化硅罐中球磨24小时，烘干，经过80目筛子过筛，随后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为lOMPa，再放入热压炉中热压烧结:升温速率为20°C /分钟，加热到1600°C后，烧结压强lOMPa，保温I小时。整个烧结过程在氩气保护下进行，获得的反应产物经X射线衍射分析为BN和Y2SiO5两相。此时BN的体积含量约为5%，Y2SiO5的体积含量约为95%。本实施例中，该材料密度为4.1g.cm—3。力学性能测试表明:得到的复合材料的杨氏模量为120GPa，维氏硬度4.0GPa，弯曲强度为150MPa，压缩强度达到550MPa，介电常数为12.6，介电损耗为1.539。
[0039]比较例I
[0040]美国GE先 进陶瓷公司通过热压方法制备的六方氮化硼(h-BN)，室温抗弯强度为80MPa，压缩强度为124MPa ;而实施例3中所得BN-Y2SiO5复合材料的抗弯强度为144MPa，比纯h-BN提高了 90% ;压缩强度为404MPa，是纯h_BN的3.3倍。这一结果表明，BN-Y2SiO5复合材料具有比纯BN更高的强度。
[0041]比较例2
[0042]文献4:欧陶(Journal of European Ceramic Society28, 2895-2901 (2008))孙等人的研究结果表明，Y2SiO5的室温抗弯强度为116MPa ;而实施例3中所得BN-Y2SiO5复合材料的抗弯强度为144MPa，是纯Y2SiO5的1.2倍。
[0043]比较例3
[0044]热压纯六方氮化硼(h-BN)在1200 °C的抗弯强度为22MPa，而实施例2中所得BN-Y2SiO5复合材料的抗弯强度在1200°C时为170MPa，是纯h-BN的7.7倍。这一结果表明，BN-Y2SiO5复合材料具有更加优异的高温力学性能。
[0045]由实施例1、实施例2、实施例3和实施例4以及比较例1、比较例2和比较例3可见，当原料为氮化硼粉、三氧化二钇粉和二氧化硅粉时，产物中可原位生成可加工的Y2SiO5相。本发明BN-Y2SiO5复合材料具有纯度高、合成温度低、力学和介电性能好等优点。
【权利要求】
1.一种六方氮化硼-钇硅氧复合材料，其特征在于:由六方氮化硼h-BN相和钇硅氧Y2S1O5相组成，其中六方氮化硼相的体积百分数为5~95%，钇硅氧相的体积百分数为5~95%。
2.按照权利要求1所述的六方氮化硼-钇硅氧复合材料的制备方法，其特征在于:依据所要获得的氮化硼和钇硅氧的体积比例，采用氮化硼粉、三氧化二钇粉和二氧化硅粉为原料，原料粉经物理机械方法混合2~24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10~20MPa，在通有保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5~20°C /分钟，烧结温度为1600~1900°C、烧结时间为1~5小时、烧结压强为10~40MPa。
3.按照权利要求2所述的六方氮化硼-钇硅氧复合材料的制备方法，其特征在于:所述的氮化硼粉为六方晶型，粒度范围为0.5~10微米；三氧化二钇和二氧化硅粉粒度范围为200~400目。
4.按照权利要求2所述的六方氮化硼-钇硅氧复合材料的制备方法，其特征在于:所述的钇娃氧为原位反应合成制得，其中Y2O3:S102的摩尔比为1:1,原位反应如下:
Y203+S102 — Y2S105。
5.按照权利要求2所述的六方氮化硼-钇硅氧复合材料的制备方法，其特征在于:所述的烧结方式为热压烧结。
6.按照权利要求2所述的六方氮化硼-钇硅氧复合材料的制备方法，其特征在于:所述的保护气氛为氮气、氩气或氦气。
7.按照权利要求2所述的六方氮化硼-钇硅氧复合材料的制备方法，其特征在于:所述的物理机械方法混合采用在氮化硅罐中用酒精作介质湿混球磨。
【文档编号】C04B35/622GK103936424SQ201410153695
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】陈继新, 张晰, 康小录, 赵震, 余水淋, 王宣, 苗磊, 周延春 申请人:中国科学院金属研究所