一种硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种硅硼氮(sibn)纤维增强石英陶瓷材料及其制备方法，属于功能、结构陶瓷基复合材料制备技术领域。


背景技术：

2.石英陶瓷具有优良的抗热震、耐烧蚀和抗氧化等特性，能够承受温度骤变而不受损伤，使用温度高达1500℃，广泛应用于制备各种耐高温结构部件；同时，石英陶瓷的介电常数低、损耗小，电性能优异，受温度变化的影响很小，是高速飞行器透波窗口的理想材料。但是，石英陶瓷的力学性能较差，可满足一般的结构强度需求，但对应力集中和微裂纹非常敏感，断裂韧性不超过0.5mpa
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，影响了其性能的可靠性，应用领域受到局限。
3.为了改善石英陶瓷的脆性，研究人员采用了石英纤维、莫来石纤维、碳纤维等对其进行了增强和增韧。碳纤维增强石英陶瓷复合材料虽然获得了较高的力学性能，但由于碳纤维为导体，无法满足透波的要求；石英纤维增强石英陶瓷复合材料的制备技术成熟，可以满足1000℃以下的透波窗口的需求，但温度进一步提高时，纤维变脆，材料性能迅速下降，无法满足1000℃以上长时使用的透波要求；莫来石纤维增强石英陶瓷将石英陶瓷在透波领域的使用温度提高到了1200℃左右，但其透波性能下降显著，无法满足高精度的制导需求。
4.硅硼氮纤维是近年来广受关注的一种耐高温纤维，可采用浸渍-复合工艺制备复合材料，但该工艺需要在氮气或氨气气氛下进行裂解，避免硅硼氮纤维在高温下氧化、损伤；另外，目前的浸渍-复合工艺制备纤维增强石英陶瓷，需要使用酸性或碱性硅溶胶，在浸渍过程中，容易腐蚀硅硼氮纤维，使之强度大幅下降，因此采用硅溶胶制备硅硼氮纤维增强石英陶瓷得到的断裂韧性低于1.0mpa
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，无法满足使用要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种耐1400℃高温、成本低、便于推广的透波陶瓷材料及其制备方法。
6.本发明的技术解决方案：
7.第一方面，本发明提供一种硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料，包括熔石英陶瓷基体和分布在熔石英陶瓷基体中的硅硼氮纤维。
8.进一步地，所述硅硼氮纤维为短切硅硼氮纤维，其长度为0.5mm～2mm。
9.进一步地，所述短切硅硼氮纤维在硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料中的质量比例为2％～15％。
10.进一步地，所述熔石英陶瓷基体为非结晶形态二氧化硅，纯度不低于99.95％。
11.第二方面，本发明提供一种硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
12.将熔石英玻璃粉碎，与去离子水混合，在球磨机中磨制成熔石英浆料；
13.将磨制好的熔石英浆料转移到均化桶中，进行慢速搅拌，使浆料均化；
14.将硅硼氮纤维加入到熔石英浆料中，快速搅拌均匀；
15.将上述熔石英浆料注入到模具中，模具吸收浆料中的水分后，形成一定厚度的湿坯。
16.湿坯脱模后经干燥、烧结得到硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料。
17.进一步地，所述慢速搅拌，均化桶的转速不超过10rpm，均化时间为3天到10天。
18.进一步地，所述快速搅拌，均化桶的转速为500rpm～2000rpm，搅拌时间为15min～40min。
19.进一步地，所述模具为石膏或多孔树脂模具，采用无压注浆或压力注浆。
20.进一步地，所述压力注浆的成型压力为0.2mpa～3mpa，保压时间与制品厚度有关，由以下经验公式确定：
21.h2＝k
·
t
22.式中，h为坯体厚度，t为保压时间，k是与模具和浆料性质相关的常数，通过试验得到具体值。
23.进一步地，所述湿坯脱模后，自然干燥3～5天，放入马弗炉，1190～1250℃烧结1～4h，随炉冷却到室温，得到硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料。
24.本发明与现有技术相比的有益效果：
25.(1)本发明采用耐1400℃以上高温的硅硼氮纤维增强石英陶瓷基体，将纤维增强石英陶瓷材料在透波领域的使用温度提高到了1400℃以上；
26.(2)本发明采用的硅硼氮纤维具有较高的增韧效果，有效提高了纤维增强石英陶瓷材料的韧性和可靠性；
27.(3)本发明采用的熔融石英浆料引入复合材料基体，该浆料ph值为6～7，避免了基体先驱体对纤维的腐蚀和损伤；
28.(4)本发明经过注浆复合、成型后的复合材料，在空气环境下进行烧结，由于浆料固含量较高，与纤维充分接触，在1050℃以上时，熔融石英颗粒开始有液相析出，附着在纤维表面，阻止了纤维在高温环境下的氧化，因此，不需要氮气或氨气保护，提高了工艺的适用性；
29.(5)本发明基于注浆成型方法，成本低、通用性好，便于推广和应用。
具体实施方式
30.以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
31.实施例1
32.称取0.1kg短切硅硼氮纤维，其长度为2.0mm，直径为0.8mm；称取4.9kg熔石英玻璃，其纯度为99.97％，粒度为30目；称取1.02kg去离子水。将熔石英玻璃和去离子水装入球磨机中，球磨8h后转移至均化桶中，以6rpm的转速，均化5天。将称好的短切硅硼氮纤维加入到均化桶中，以500rpm的转速，混合20min。混合好的浆料注入到石膏模具中，静置吸浆2h后，倒出多余浆料，湿坯脱模后自然干燥3天，放入马弗炉，1200℃烧结2h，随炉冷却到室温，即得到硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料。
33.对本实施例制备得到的材料，参照标准astm e1820-05a测试断裂韧性，参照标准astm d2520-95测试介电常数和损耗角正切值，具体数据见表1。
34.实施例2
35.称取0.9kg短切硅硼氮纤维，其长度为1.5mm，直径为0.8mm；称取5.1kg熔石英玻璃，其纯度为99.97％，粒度为30目；称取1.23kg去离子水。将熔石英玻璃和去离子水装入球磨机中，球磨8h后转移至均化桶中，以6rpm的转速，均化5天。将称好的短切硅硼氮纤维加入到均化桶中，以500rpm的转速，混合20min。混合好的浆料注入到石膏模具中，施加0.5mpa的压力，保持1h，倒出多余浆料，湿坯脱模后自然干燥3天，放入马弗炉，1230℃烧结2h，随炉冷却到室温，即得到硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料。
36.对本实施例制备得到的材料，参照标准astm e1820-05a测试断裂韧性，参照标准astm d2520-95测试介电常数和损耗角正切值，具体数据见表1。
37.实施例3
38.称取0.5kg短切硅硼氮纤维，其长度为1.5mm，直径为0.8mm；称取9.5kg熔石英玻璃，其纯度为99.97％，粒度为30目；称取2.05kg去离子水。将熔石英玻璃和去离子水装入球磨机中，球磨8h后转移至均化桶中，以6rpm的转速，均化5天。将称好的短切硅硼氮纤维加入到均化桶中，以500rpm的转速，混合20min。混合好的浆料注入到石膏模具中，施加0.5mpa的压力，保持1h，静置吸浆2h后，倒出多余浆料，湿坯脱模后自然干燥3天，放入马弗炉，1220℃烧结1h，随炉冷却到室温，即得到硅硼氮纤维增强石英陶瓷材料。
39.对本实施例制备得到的材料，参照标准astm e1820-05a测试断裂韧性，参照标准astm d2520-95测试介电常数和损耗角正切值，具体数据见表1。
40.实施例4
41.采用直径0.8mm的硅硼氮纤维编织预制体；称取9.5kg熔石英玻璃，其纯度为99.97％，粒度为30目；称取2.05kg去离子水。将熔石英玻璃和去离子水装入球磨机中，球磨8h后转移至均化桶中，以6rpm的转速，均化5天。将预制体放置在压力釜中，将混合好的浆料注入，施加3mpa的压力，保持1h，排出多余浆料，湿坯脱模后自然干燥3天，放入马弗炉，1220℃烧结2h，随炉冷却到室温，可以得到硅硼氮长纤维增强石英陶瓷复合材料。
42.表1
43.试样断裂韧性(mpa
·m1/2
)介电常数tanδ(
×
10-3
)实施例12.353.353.17实施例22.693.362.85实施例32.413.353.26
44.本发明采用的硅硼氮纤维具有较高的增韧效果，有效提高了纤维增强石英陶瓷材料的韧性和可靠性。
45.本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
46.以上公开的本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。