一种结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法

本发明涉及先进陶瓷基复合材料制备，具体涉及一种结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法。

背景技术：

1、六方氮化硼（h-bn）具有类石墨的层状晶体结构，层内b-n原子以共价键结合，层间依靠弱范德华力相互作用，兼具低介电常数、低介电损耗、优异的化学稳定性、高热导率、良好的抗热震性能以及可机械精密加工等优势，是高温透波、大功率电子绝缘、航天热防护及电子封装等领域的结构功能一体化材料。然而，h-bn自扩散系数低、本征脆性大，导致其致密化困难且易发生脆性断裂，严重制约了其工程应用。

2、针对上述问题，现有改性途径难以同时兼顾致密化、强韧性与透波等功能特性：第二相硬质颗粒增强虽有利于致密化和力学性能，但增韧效果有限且可能劣化介电性能；异质纤维增强可显著提高断裂韧性，但易引发热膨胀失配与界面微裂纹；同质bn连续纤维结合pip工艺虽能保持基体本征功能，但长纤维存在分散困难、易团聚、界面结合难调控等固有问题，且pip工艺前驱体裂解收缩大、致密化效率低、制备周期长。相比之下，bn短纤维在基体中更易均匀分散，配合热压烧结可在较低温度下短时实现高致密度，同时抑制界面反应与纤维损伤，保留纤维的增韧与透波功能。然而，目前关于bn短纤维改性h-bn陶瓷基复合材料的研究鲜有报道。

3、基于此，本发明提出一种结构功能一体化的氮化硼短纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料的制备方法，以氮化硼短纤维为增强相，采用工序简单、周期短、成本可控的热压烧结工艺，所得复合材料兼具高致密度、良好强韧性与优异透波性能，可满足航空航天热防护、高温透波、电子封装等领域的应用需求。

技术实现思路

1、本发明提出一种结构功能一体化氮化硼短纤维改性h-bn陶瓷基复合材料的制备方法。该方法旨在克服现有技术中的如下缺陷：第二相硬质颗粒增强增韧效果有限且可能劣化介电性能；异质纤维增强易引发热膨胀失配与界面微裂纹；同质bn连续纤维结合pip工艺存在长纤维分散困难、易团聚、界面结合难调控等问题，且前驱体裂解收缩大、致密化效率低、制备周期长。

2、为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

3、第一方面

4、本发明提出一种结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料，原料由h-bn粉体、sio2粉体、bn短纤维组成；其中，h-bn粉体与sio2粉体质量比8:2~5:5，bn短纤维添加量为h-bn与sio2总粉体质量的3~25wt%；各原料粉体的粒径与纯度满足：h-bn粉体中值粒径d50≤3μm，纯度≥98wt%；sio2中值粒径d50≤3μm，纯度≥99wt%；bn短纤维单丝直径5~20μm，长度1~5mm。

5、该复合材料最优样品致密度≥94%，兼具低介电常数、高温绝缘、高温透波特性，其抗弯强度可达200mpa以上，断裂韧性4.3mpa・m1/2以上。

6、第二方面

7、本发明提供了上述结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

8、步骤1：按原料配比称量h-bn粉体、sio2粉体及bn短纤维，首先将称量好的bn短纤维置于dmf/乙醇复配溶剂中，经高速剪切分散后，加入h-bn粉体、sio2粉体继续分散，得到均匀浆料。

9、步骤2：将步骤1所得均匀料浆进行干燥处理，获得混合粉体；

10、步骤3：将步骤2所得混合粉体装入内壁涂覆bn脱模粉的石墨模具中，室温施加5mpa单轴压力，保压3min后缓慢卸压，得到预成型坯体；

11、步骤4：将步骤3所得预成型样品置于热压烧结炉中，进行热压烧结，随后随炉自然冷却至室温，得到结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料。

12、进一步的，步骤1步骤1中所述原料粉体中h-bn粉体与sio2粉体的质量比8:2~5:5，bn短纤维添加量为h-bn与sio2总粉体质量的3~25wt%。

13、进一步的，步骤1所述高速剪切分散工艺为：配制dmf与无水乙醇质量比1:0~1:2的混合极性溶剂，bn短纤维与混合溶剂质量比1:50~1:100；先将bn短纤维加入混合溶剂中20000~30000r/min预分散10min，再加入h-bn粉体、sio2粉体维持20000~30000r/min高速分散10min，最后下调至10000r/min中速均质搅拌10min，有效解决纤维团聚，得到均匀浆料。

14、进一步的，步骤2所述浆料干燥处理是将均匀混合后的浆料置于真空烘箱进行干燥，真空度设置为-0.08~-0.09mpa，温度为60~80℃，时间为8-16h，干燥后得到混合粉体。

15、进一步的，步骤3所述单轴冷压预成型工艺是将圆柱形石墨模具内壁涂覆bn脱模粉，装填混合粉体后，室温施加5mpa单轴压力，保压3min后缓慢卸压成型。

16、进一步的，步骤4所述热压烧结工艺为：将圆柱形石墨模具置于热压炉，烧结过程保持氮气氛围；加热速率为5~20℃/min，烧结温度为1300~1800℃，烧结压力为10~40mpa，保温时间为0.5~2h，保温结束后缓慢卸压，氮气保护下随炉自然冷却至室温，脱模得到氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料。

17、与现有技术相比具备以下有益效果：

18、本发明具有如下优点：

19、本发明避免了第二相硬质颗粒和异质纤维引入所导致的介电性能劣化与热失配问题，使复合材料在保持较好强韧性的同时具备优异的透波性能；bn短纤维在基体中均匀分散，从根本上克服了连续长纤维易团聚、界面结合难以调控的固有缺陷，并纤维拔出、纤维桥联及裂纹偏转等多重机制协同耗能，有效提高复合材料的抗弯强度与断裂韧性，解决了纯h-bn陶瓷本征脆性大及颗粒增强增韧效果有限的问题；在此基础上，采用工序简单、制备周期短、成本可控的热压烧结工艺，借助高温高压在短时间内实现基体致密化，避免了pip工艺前驱体裂解收缩大、致密化效率低的缺陷，同时较短的保温时间可抑制纤维与基体之间的有害界面反应，避免纤维热损伤，在保证界面结合强度的同时保留纤维的增韧功能。

1.一种结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法，其特征在于，原料由h-bn粉体、sio2粉体、bn短纤维组成；其中，h-bn粉体与sio2粉体质量比8:2~5:5，bn短纤维添加量为h-bn与sio2总粉体质量的3~25wt%。

2.根据权利要求1所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法，其特征在于，所述六方氮化硼h-bn粉体：中值粒径d50≤3μm，纯度≥98wt%；所述sio2粉体：中值粒径d50≤3μm，纯度≥99wt%；所述bn短纤维：单丝直径5~20μm，长度1~5mm。

3.根据权利要求1所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法，其特征在于，所述在热压烧结过程中bn短纤维与基体界面结合良好且均匀分散于陶瓷基体中。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述原料粉体中h-bn粉体与sio2粉体的质量比8:2~5:5，bn短纤维添加量为h-bn与sio2总粉体质量的3~25wt%。

6.根据权利要求4所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法，其特征在于，所述高速剪切分散工艺：配制dmf与无水乙醇质量比1:0~1:2的混合极性溶剂，bn短纤维与混合溶剂质量比1:50~1:100；先将bn短纤维加入混合溶剂中20000~30000r/min预分散10min，再加入h-bn粉体、sio2粉体维持20000~30000r/min高速分散10min，最后下调至10000r/min中速均质搅拌10min，有效解决纤维团聚，得到均匀浆料。

7.根据权利要求4所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法，其特征在于，所述浆料干燥处理工艺：将均匀混合后的浆料置于真空烘箱进行干燥，真空度为-0.08~-0.09mpa，温度为60~80℃，时间为8-16h，干燥后得到混合粉体。

8.根据权利要求4所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法，其特征在于，所述单轴冷压预成型工艺：圆柱形石墨模具内壁涂覆bn脱模粉，装填复合粉体后室温施加5mpa单轴压力，保压3min后缓慢卸压。

9.根据权利要求4所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法，其特征在于，所述热压烧结工艺：将圆柱形石墨模具置于热压炉，烧结过程保持氮气氛围；加热速率为5~20℃/min，烧结温度为1300~1800℃，烧结压力为10~40mpa，保温时间为0.5~2h，保温结束后缓慢卸压，氮气保护下随炉自然冷却至室温，脱模得到氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料。

10.根据权利要求4所述的结构功能一体化氮化硼纤维改性氮化硼陶瓷基复合材料制备方法，其特征在于，步骤4所述高温热压烧结可替换为放电等离子烧结（sps）、热等静压烧结（hip）任一等效致密化烧结工艺，气氛、温度、压力、保温参数保持不变。

11.根据权利要求6所述的高速剪切分散工艺，其特征在于，分散用极性溶剂可替换为二甲基亚砜（dmso）、乙腈（ch3cn）单一溶剂，或dmf/乙醇、dmso/乙醇、乙腈/乙醇二元复配极性有机溶剂。