一种b、n共掺杂碳化硅纳米吸波材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于吸波材料制备方法技术领域，具体涉及一种B、N共掺杂碳化硅纳米吸波材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]吸波材料是指通过介电弛豫、涡流或磁滞损耗等材料特性将入射电磁波的电磁能转化成热能耗散掉，以达到吸收电磁波目的的材料。根据微波损耗机理，吸波材料主要分为介电型和磁性吸波材料两大类。
[0003]在这两大类材料中，磁性吸波材料，如:铁氧体、羰基铁粉等受到居里温度的限制，在较高温度下其磁性会迅速衰减，丧失吸波性能，而且较大的密度也制约着它们的应用。因此，可应用于高温领域的介电型吸波材料，如:SiC、h-BN和LaMn03等倍受关注。在介电型吸波材料中，SiC是制作多波段吸波材料的主要候选材料，若设计合理，就能够实现轻质、薄层、宽频带和多频段吸收。
[0004]美国、德国、日本等国对SiC研究应用的重要方向之一正是吸波材料。但是，常规制备的SiC不具备吸波性能，必须对其作进一步的处理，使其具有吸波性能。目前，有效的途径主要有以下两种方法:(1)提高SiC的纯度；(2)对SiC进行有控制地掺杂。其中，制备高纯度SiC存在高纯原料难以获得及制备成本高的问题；相比之下，通过掺杂途径也可使SiC具备良好的吸波性能，即对SiC进行η型或者ρ型掺杂，调整材料的导电性获得高的介电损耗性能。另外，通过调整掺杂剂种类和含量可使SiC的微波介电常数大小可控，实现电磁波入射界面处较好的阻抗匹配，提升吸波或电磁屏蔽效果。
[0005]作为IV -1V族半导体材料，可用N、P等V族元素及B、A1等III族元素对SiC分别掺入，起施主或受主作用，从而改变其导电性能。在这些掺杂元素中，目前已经实现了 N、A1掺杂对SiC材料微波损耗性能的提高，而B掺杂提高SiC材料微波损耗性能至今仍未有大的突破。经研究表明掺杂或添加有助于SiC晶体的结晶过程；并且已有B、N共掺杂可以调控SiC纳米管电性能的理论报道。因此，若能够实现B和N原子对SiC晶体合理比例的共掺杂，可望获得结晶和吸波性能良好的SiC吸波材料，并且通过控制掺杂比例，使其微波介电常数大小可控，实现较好的阻抗匹配。
[0006]基于上述理由，非常有必要寻找一种B、N共掺杂改性SiC吸波材料的制备方法，能制备出晶型和介电损耗性能良好的SiC纳米粉体吸波材料，并且其介电常数大小可控。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种B、N共掺杂碳化硅纳米吸波材料的制备方法，制备出晶型和介电损耗性能良好的SiC纳米粉体吸波材料，并且其介电常数大小可控。
[0008]本发明所采用的技术方案是，一种B、N共掺杂碳化硅纳米吸波材料的制备方法，具体按照以下步骤实施:
[0009]步骤1、分别称取硅粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化硅粉Si3N4及聚四氟乙烯粉PTFE，并将称取的取硅粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化硅粉Si3N4及聚四氟乙烯粉PTFE球磨混合，制备出混合粉体A ;
[0010]步骤2、将步骤1得到的混合粉体A过200目筛，以破除团聚物，得到平均粒径为74 μ m以下的混合粉体B;
[0011]步骤3、将经步骤2得到的混合粉体B放置于真空-气氛热压烧结炉中，先进行抽真空处理，然后充入队气，对混合粉体B进行高温自蔓延反应，制备得到B、N共掺杂的3C_SiC主晶相纳米粉体；
[0012]步骤4、将经步骤3得到的B、N共掺杂的3C_SiC主晶相纳米粉体放置于箱式电阻炉中在空气气氛中热处理，制备出B、N共掺杂的高纯度3C-SiC纳米粉体吸波材料。
[0013]本发明的特点还在于:
[0014]步骤1具体按照以下步骤实施:
[0015]步骤1.1、先按摩尔比为1151:1^:1^:1^=0.85?0.95:0.85 ?0.95:0.05 ?0.15:0.05?0.15分别称取硅粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化硅粉Si3N4;
[0016]之后称取聚四氟乙烯粉PTFE，聚四氟乙烯粉PTFE的质量为硅粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化硅粉Si3N4质量总和的10%?20% ；
[0017]步骤1.2、将步骤1.1中称取的硅粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化硅粉Si3N4及聚四氟乙烯粉PTFE混合在一起，配制出混合物A ;
[0018]步骤1.3、将经步骤1.2配制得到的混合物A倒入行星式球磨机球磨罐中，再向球磨罐中加入无水乙醇，将无水乙醇作为球磨介质，每g的混合物A要加入1.0ml?1.5ml的无水乙醇，开启行星式球磨机，以250r/min?350r/min的速率球磨6h?12h混合物A，得到混合物B ;
[0019]步骤1.4、取出经步骤1.3得到的混合物B，并将混合物B放置于干燥箱中直至烘干，烘干温度为55°C?65°C，最终得到混合粉体A。
[0020]娃粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化娃粉Si3N4的摩尔比优选为n Si:n c:n B:n N =0.95:0.85:0.05:0.15 ;
[0021]聚四氟乙烯PTFE的优选质量为:硅粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化硅粉Si3N4质量总和的20%。
[0022]娃粉Si的平均粒径为10 μ m?30 μ m ;炭黑粉C的平均粒径为20nm?40nm ;无定形硼粉B的平均粒径为45 μ m?75 μ m ;氮化硅粉Si3N4的平均粒径为45 μ m?75 μ m ;聚四氟乙烯粉PTFE的平均粒径为60 μ m?75 μ m。
[0023]步骤3具体按照以下步骤实施:
[0024]步骤3.1、将经步骤2得到的混合粉体B置于坩祸内；
[0025]步骤3.2、将步骤3.1中装有混合粉体B的坩祸放入真空-气氛热压烧结炉中，并对真空-气氛热压烧结炉进行抽真空处理；
[0026]步骤3.3、经步骤3.2，待真空-气氛热压烧结炉内的真空度达到0.0lPa以下，向真空-气氛热压烧结炉中充入0.05MPa?0.1MPa的高纯队气，使混合粉体B在真空-气氛热压烧结炉内进行高温自蔓延反应，制备得到B、N共掺杂的3C-SiC主晶相纳米粉体。
[0027]步骤3中采用的坩祸为石墨坩祸。
[0028]步骤3.3中高温自蔓延反应的具体过程如下:
[0029]先以10°C /min?20 °C /min的速率将真空-气氛热压烧结炉内的温度升至850°C?950°C ;再以10°C /min?15°C /min的速率将真空-气氛热压烧结炉内的温度升至1350°C?1450°C ;然后于1350°C?1450°C温度条件下，对真空-气氛热压烧结炉进行lOmin?20min的保温处理，最后让真空-气氛热压烧结炉自然冷却至室温，即完成在真空-气氛热压烧结炉内对混合粉体B的高温自蔓延反应。
[0030]步骤4具体按照以下步骤实施:
[0031]步骤4.1、将经步骤3得到的B、N共掺杂的3C_SiC主晶相纳米粉体置于坩祸内；
[0032]步骤4.2、将步骤4.1中装有B、N共掺杂的3C_SiC主晶相纳米粉体的坩祸放入箱式电阻炉中进行热处理除碳，制备出B、N共掺的高纯度3C-SiC纳米粉体吸波材料。
[0033]步骤4中采用的坩祸是刚玉坩祸。
[0034]步骤4.2中热处理除碳的过程具体如下:
[0035]先以5°C /min?15°C /min的速率将箱式电阻炉内的温度升至550°C?650°C;然后保温60min?150min ;最后让箱式电阻炉自然冷却至室温。
[0036]本发明的有益效果在于:
[0037](1)在本发明一种B、N共掺杂碳化硅纳米吸波材料的制备方法中，采用了低成本的Si粉及炭黑作为原料，有效降低了制备成本，另外整个制备流程较为简单，且产量高、易于操控、可重复性强。
[0038](2)利用本发明的制备方法制备出的SiC吸波材料为高纯度β相的3C_SiC纳米粉体，该纳米粉体呈类球形形貌，粒径分布范围窄，平均粒径最小可达25nm左右。
[0039](3)利用本发明的制备方法制备出的SiC纳米粉体吸波材料能通过调整B、N掺杂比例，实现其微波介电常数大小可调的目标，能满足高温环境下吸波材料和电磁屏蔽材料质量轻、厚度薄、吸收频带宽等要求，并且可应用于制备高强度、良好抗氧化性或半导性SiC块体陶瓷及涂层等的高优质粉体原料，具有重大的社会经济效益。
【附图说明】
[0040]图1是利用本发明的制备方法得到B、N共掺杂SiC纳米粉体吸波材料第一种实施例的场发射扫描电子显微镜图片；
[0041]图2是利用本发明的制备方法得到B、N共掺杂SiC纳米粉体吸波材料第二种实施例的场发射扫描电子显微镜图片；
[0042]图3是利用本发明的制备方法得到B、N共掺杂SiC纳米粉体吸波材料第三种实施例场发射扫描电子显微镜图片；
[0043]图4是利用本发明的制备方法中得到的B、N共掺杂SiC纳米粉体介电损耗角正切tan δ在8.2?12.4GHz频率范围的变化曲线。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0045]本发明一种B、N共掺杂碳化硅纳米吸波材料的制备方法，具体按照以下步骤实施:
[0046]步骤1、分别称取硅粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化硅粉Si3N4及聚四氟乙烯粉PTFE,并将称取的取硅粉S1、炭黑粉C、无定形硼粉B、氮化硅粉Si3N4及聚四氟乙烯粉PTFE球磨混合，制备出混合粉体A，具体按照以下步骤实施:
[0047]步骤1.1、先按摩尔比为115