非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料及其制備方法，它涉及硅硼碳氮陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的非晶/納米晶硅硼碳氮陶瓷材料燒結(jié)溫度高、致密度低的問題。硅硼碳氮陶瓷材料由硅粉、石墨和六方氮化硼制成。方法：將原料按一定比例稱取后高能球磨混合，然后再進(jìn)行燒結(jié)即得到材料。本發(fā)明的硅硼碳氮陶瓷材料呈非晶態(tài)，致密度高，硬度高，且制備工藝簡(jiǎn)單、成本低。本發(fā)明主要用于制備非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
【專利說(shuō)明】非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅硼碳氮陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅硼碳氮陶瓷材料是一種新型的高溫防熱結(jié)構(gòu)材料，從首次合成到現(xiàn)在已將近有17年時(shí)間，因其具有密度低、強(qiáng)度高、彈性模量低、抗氧化性好、熱膨脹系數(shù)低和穩(wěn)定使用溫度高等優(yōu)越的性能吸引了很多研究人員的關(guān)注。目前，硅硼碳氮陶瓷塊體材料的主要制備方法有兩種，即有機(jī)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和機(jī)械合金化-壓力燒結(jié)法。在以往的研究中，大部分研究報(bào)告和專利側(cè)重于利用首先合成有機(jī)先驅(qū)體，然后在緩慢裂解生成無(wú)機(jī)粉末，最后再制備陶瓷材料。利用此路線合成的非晶硅硼碳氮陶瓷材料具有較高的性能，但是存在以下缺點(diǎn):1、有機(jī)前驅(qū)體制備非晶硅硼碳氮陶瓷材料的步驟復(fù)雜，工藝難于控制，合成環(huán)境要求嚴(yán)格，整個(gè)過(guò)程需在高度無(wú)水無(wú)氧的環(huán)境下操作，并且合成過(guò)程緩慢；2、利用有機(jī)前驅(qū)體制備非晶硅硼碳氮陶瓷材料產(chǎn)率低，單次合成量少，而且在部分有機(jī)合成過(guò)程中的生成的固體副產(chǎn)品不容易去除；3、采用裂解方法獲得的硅硼碳氮陶瓷無(wú)法實(shí)現(xiàn)致密化，為多孔材料，不能有效滿足實(shí)際使用要求；4、有機(jī)合成的原料價(jià)格較高。這些缺點(diǎn)極大地限制了硅硼碳氮陶瓷材料在工程方面的大規(guī)模應(yīng)用。后來(lái)，Zhihua Yang等研究人發(fā)明了機(jī)械合金化-壓力燒結(jié)法制備非晶和納米晶的娃硼碳氮陶瓷材料(Zh1-Hua Yang, Yu Zhou, De-Chang Jia, etal.Materials Science and Engineering A, 489 (2008) 187 ~192.)。先將原料混合球磨后得到非晶態(tài)的粉末，然后采用熱壓燒結(jié)工藝燒結(jié)獲得材料。其制備工藝簡(jiǎn)單，但是該方法燒結(jié)溫度較高(高達(dá)2000°C )，塊體材料致密度不夠高，綜合力學(xué)性能不夠理想。這也在一定程度上限制了硅硼碳氮陶瓷材料在工程方面的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有的硅硼碳氮陶瓷材料存在致密度低，現(xiàn)有硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法存在燒結(jié)溫度高的問題，而提供非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料及其制備方法。
[0004]非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料按照S1:C:B摩爾比為2:3:1的比例由純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼制成，所述的娃粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m。
[0005]上述非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:一、按照S1:C:B摩爾比為2:3:1的比例稱取純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的TK方氣化砸，所述的娃粉的粒徑為I P m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m ;二、將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為(5~100):1，磨球直徑為3~10mm，球磨時(shí)間為I~50小時(shí)， 即得到非晶態(tài)的粉末；三、步驟二得到的非晶態(tài)粉末進(jìn)行超高壓燒結(jié)，即得到了非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
[0006]優(yōu)點(diǎn):對(duì)該方法制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料經(jīng)分析測(cè)試可知，該方法制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)，致密度為96.0~98.0%，硬度為29.7~31.lGPa，彈性模量為300.2~311.8GPa。
[0007]非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料按照S1:C:B摩爾比為3:4:1的比例由純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼制成，所述的娃粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m
[0008]上述非晶和納米晶的硅硼碳氮陶瓷材料的另一種制備方法是按照以下步驟進(jìn)行:一、按照S1:C:B摩爾比為3:4:1的比例稱取純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼，所述的硅粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m ;二、將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為(5~100):1，磨球直徑為3mm~10mm，球磨時(shí)間為I~50小時(shí)，即得到非晶態(tài)的粉末；三、步驟二得到的非晶態(tài)粉末進(jìn)行超高壓燒結(jié)，即得到了非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
[0009]優(yōu)點(diǎn):對(duì)該方法制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料經(jīng)分析測(cè)試可知，該方法制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)，致密度為94.0~96.0%，硬度為30.0~33.0GPa,彈性模量為320.0~330.0GPa0 [0010]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn):一、本發(fā)明非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料制備中所使用的原料易得，價(jià)格低廉，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，制備周期短，制備要求低；二、本發(fā)明利用超高壓燒結(jié)技術(shù)，降低燒結(jié)溫度；三、本發(fā)明的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備成本低，制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)，致密度為94.0~98.0%，硬度為29.7~33.0GPa,彈性模量為300.2~330.0GPa，適于制造航天防熱和微機(jī)電領(lǐng)域用核心零部件。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的透射電鏡圖；
[0012]圖2是本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的電子圖譜；
[0013]圖3是XRD圖譜，圖中A表示本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的XRD圖譜，圖中B為表示高硬硅硼碳氮陶瓷塊體的XRD圖譜；
[0014]圖4是本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的透射電鏡圖；
[0015]圖5是本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的電子圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0016]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式是非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料，按照S1:C:B摩爾比為2:3:1的比例由純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼制成,所述的娃粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m。
[0017]本實(shí)施方式中所述的硅粉的晶型是立方的，可從市場(chǎng)上購(gòu)買得到。
[0018]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式是非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，具體按照以下步驟進(jìn)行:一、按照S1:C:B摩爾比為2:3:1的比例稱取純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼，所述的硅粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m;二、將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為(5~100): 1，磨球直徑為3~10mm，球磨時(shí)間為I~50小時(shí)，即得到非晶態(tài)的粉末；三、步驟二得到的非晶態(tài)粉末進(jìn)行超高壓燒結(jié)，即得到了非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
[0019]本實(shí)施方式步驟一中球磨罐種類為振動(dòng)式球磨罐或者行星式球磨罐。
[0020]本實(shí)施方式步驟二中得到的非晶態(tài)粉末同時(shí)存在硅硼碳氮四種元素，并且這四種元素形成了 B-C-N、S1-C、C-C、B-N、C-B等多種形式的鍵合，這說(shuō)明本實(shí)施方式中硅粉、石墨和六方氮化硼經(jīng)過(guò)球磨后達(dá)到了原子尺度上的復(fù)合。
[0021]本實(shí)施方式制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料中N元素的摩爾百分比為5~45%，B元素的的摩爾百分比為5~45%。
[0022]本實(shí)施方式制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料經(jīng)分析測(cè)試可知，本實(shí)施方式得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)，致密度為96.0~98.0%，硬度為 29.7 ~31.lGPa，彈性模量為 300.2 ~311.8GPa。
[0023]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二不同點(diǎn)是:步驟二中球料質(zhì)量比為(10~90):1，磨球直徑為5mm~8mm，球磨時(shí)間為15~35小時(shí)。。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二相同。
[0024]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二不同點(diǎn)是:步驟二中球料質(zhì)量比為50:1,磨球直徑為6mm,球磨時(shí)間為20小時(shí)。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二相同。
[0025]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與具`體實(shí)施方式二不同點(diǎn)是:步驟二中球料質(zhì)量比為10:1,磨球直徑為8mm,球磨時(shí)間為35小時(shí)。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二相同。
[0026]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二不同點(diǎn)是:步驟二中球料質(zhì)量比為90:1,磨球直徑為5mm,球磨時(shí)間為15小時(shí)。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二相同。
[0027]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二至六之一不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為900~1600°C和燒結(jié)壓力為IGPa~7GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為I~60分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二至六之一相同。
[0028]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1000~1500°C和燒結(jié)壓力為2GPa~6GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為5~40分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】七相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七或八之一不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1200°C和燒結(jié)壓力為3GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為20分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】七或八之一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七或八之一不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1400°C和燒結(jié)壓力為2GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為15分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】七或八之一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】十一:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】七不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1600°C和燒結(jié)壓力為4GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為50分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】七相同。[0032]【具體實(shí)施方式】十二:本實(shí)施方式是非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料按照S1:C:B摩爾比為3:4:1的比例由純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼制成,所述的娃粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m。
[0033]本實(shí)施方式中所述的硅粉的晶型是立方的，可從市場(chǎng)上購(gòu)買得到。
[0034]【具體實(shí)施方式】十三:本實(shí)施方式非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，具體按照以下步驟進(jìn)行: [0035]一、按照S1:C:B摩爾比為3:4:1的比例稱取純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼，所述的硅粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m ;二、將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為(5~100):1，磨球直徑為3mm~IOmm,球磨時(shí)間為I~50小時(shí)，即得到非晶態(tài)的粉末；三、步驟二得到的非晶態(tài)粉末進(jìn)行超高壓燒結(jié)，即得到了非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
[0036]本實(shí)施方式步驟二中所述的球磨罐為振動(dòng)式球磨罐或者行星式球磨罐。
[0037]本實(shí)施方式步驟二中得到的非晶態(tài)粉末，同時(shí)存在硅硼碳氮四種元素，并且這四種元素形成了 B-C-N、S1-C、C-C、B-N、C-B等多種形式的鍵合，這說(shuō)明本實(shí)施方式中硅粉、石墨和六方氮化硼經(jīng)過(guò)球磨后達(dá)到了原子尺度上的復(fù)合。
[0038]本實(shí)施方式制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料中N元素的摩爾百分比為5%~45%，B元素的的摩爾百分比為5%~45%。
[0039]本實(shí)施方式制備得到的非晶和納米晶的硅硼碳氮陶瓷材料中氮、硼元素總的摩爾含量為10%~90%。
[0040]本實(shí)施方式制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料經(jīng)分析測(cè)試可知，本實(shí)施方式制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)，致密度為94.0~96.0%，硬度為30.0~33.0GPa,彈性模量為320.0~330.0GPa0
[0041]【具體實(shí)施方式】十四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三不同點(diǎn)是:步驟二中球料質(zhì)量比為(10~90): 1，磨球直徑為5mm~8mm，球磨時(shí)間為15~35小時(shí)。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三相同。
[0042]【具體實(shí)施方式】十五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三不同點(diǎn)是:步驟二中球料質(zhì)量比為50:1，磨球直徑為5~8mm，球磨時(shí)間為15~35小時(shí)。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三相同。
[0043]【具體實(shí)施方式】十六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三不同點(diǎn)是:步驟二中球料質(zhì)量比為90:1,磨球直徑為5mm,球磨時(shí)間為15小時(shí)。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三相同。
[0044]【具體實(shí)施方式】十七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三不同點(diǎn)是:步驟二中球料質(zhì)量比為10:1,磨球直徑為8mm,球磨時(shí)間為35小時(shí)。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三相同。
[0045]【具體實(shí)施方式】十八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為900~1600°C和燒結(jié)壓力為IGPa~7GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為I~60分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一相同。
[0046]【具體實(shí)施方式】十九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1000~1500°C和燒結(jié)壓力為2~6GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為5~40分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一相同。
[0047]【具體實(shí)施方式】二十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1200°C和燒結(jié)壓力為3GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為20分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一相同。
[0048]【具體實(shí)施方式】二十一:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1400°C和燒結(jié)壓力為2GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為15分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一相同。
[0049]【具體實(shí)施方式】二十二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一不同點(diǎn)是:步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1600°C和燒結(jié)壓力為4GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為50分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】十三至十七之一相同。
[0050]采用下述試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果:
[0051]試驗(yàn)一:非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，具體按照以下步驟進(jìn)行:一、按照S1: C: B摩爾比為2:3:1的比例稱取純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼,所述的娃粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m ;二、將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中在IS氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為20:1,磨球直徑為9mm,球磨時(shí)間為20小時(shí)，即得到非晶態(tài)的粉末；三、步驟二得到的非晶態(tài)粉末進(jìn)行超高壓燒結(jié)，即得到了非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
[0052]本試驗(yàn)步驟二中所述的球磨`罐為振動(dòng)式球磨罐。
[0053]本試驗(yàn)步驟二中得到的非晶態(tài)粉末同時(shí)存在硅硼碳氮四種元素，并且這四種元素形成了 B-C-N、S1-C、C-C、B-N、C-B等多種形式的鍵合，這說(shuō)明本試驗(yàn)中硅粉、石墨和六方氮化硼經(jīng)過(guò)球磨后達(dá)到了原子尺度上的復(fù)合。
[0054]本試驗(yàn)步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1100°C和燒結(jié)壓力為4GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為15分鐘。
[0055]圖1是本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的透射電鏡圖，通過(guò)圖1可知本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)。圖2是本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的選區(qū)電子衍射圖譜；通過(guò)圖2顯示為衍射暈，說(shuō)明本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)。
[0056]圖3是XRD圖譜，圖中A表示本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的XRD圖譜，圖中B表示高硬硅硼碳氮陶瓷塊體的XRD圖譜；通過(guò)圖3中A顯示為漫散的衍射峰，說(shuō)明本試驗(yàn)制備得到的硅硼碳氮陶瓷粉末為非晶態(tài)。圖3中B顯示為漫散的衍射峰，說(shuō)明本試驗(yàn)制備得到的高硬硅硼碳氮陶瓷塊體為非晶態(tài)。
[0057]對(duì)本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料經(jīng)分析測(cè)試可知，本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)，致密度為98.0%，硬度為30.4GPa,彈性模量為 306.0GPa0[0058]試驗(yàn)二:非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，具體按照以下步驟進(jìn)行:一、按照S1:C:B摩爾比為3:4:1的比例稱取純度為99.9%的硅粉、純度為99.9%的石墨和純度為99.9%的六方氮化硼,其中娃粉、石墨和六方氮化硼粒徑均為I~20 μ m ;二、將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中在IS氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為20:1,磨球直徑為9mm,球磨時(shí)間為20小時(shí)，即得到非晶態(tài)的粉末；三、步驟二得到的非晶態(tài)粉末進(jìn)行超高壓燒結(jié)，即得到了非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
[0059]本試驗(yàn)步驟二中球磨罐為行星式球磨罐。
[0060]本試驗(yàn)步驟二中得到的非晶態(tài)粉末同時(shí)存在硅硼碳氮四種元素，并且這四種元素形成了 B-C-N、S1-C、C-C、B-N、C-B等多種形式的鍵合，這說(shuō)明本試驗(yàn)中硅粉、石墨和六方氮化硼經(jīng)過(guò)球磨后達(dá)到了原子尺度上的復(fù)合。
[0061]本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料中N元素和B元素的總摩爾百分比為40% ο
[0062]本試驗(yàn)步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為1100°C和燒結(jié)壓力為4GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為15分鐘。
[0063]圖4是本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的透射電鏡圖，通過(guò)圖4可知本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)。圖5是本試驗(yàn)制備得到的非晶態(tài)的硅硼碳氮陶瓷粉末的選區(qū)電子衍射圖譜；通過(guò)圖5顯示為衍射暈，說(shuō)明本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)。 [0064]對(duì)本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料經(jīng)分析測(cè)試可知，本試驗(yàn)制備得到的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料微觀組織為非晶態(tài)，致密度為95.1%，硬度為31.lGPa，彈性模量為 325.2GPa。
【權(quán)利要求】
1.非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料，其特征在于非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料按照S1:C:B摩爾比為2:3:1的比例由純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼制成，所述的硅粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m。
2.如權(quán)利要求1所 述的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，其特征在于非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:一、按照S1:C:B摩爾比為2:3:1的比例稱取純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼，所述的娃粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m ;二、將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為(5~100):1,磨球直徑為3~IOmm,球磨時(shí)間為I~50小時(shí)，即得到非晶態(tài)的粉末；三、步驟二得到的非晶態(tài)粉末進(jìn)行超高壓燒結(jié)，即得到了非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟二中球料質(zhì)量比為(10~90): 1，磨球直徑為5mm~8mm，球磨時(shí)間為15~35小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為900~1600°C和燒結(jié)壓力為IGPa~7GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為I~60分鐘。
5.非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料，其特征在于非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料按照S1:C:B摩爾比為3:4:1的比例由純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼制成，所述的硅粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m。
6.如權(quán)利要求5所述的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，其特征在于非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:一、按照S1:C:B摩爾比為3:4:1的比例稱取純度為99%~99.9%的硅粉、純度為99%~99.9%的石墨和純度為99%~99.9%的六方氮化硼，所述的娃粉的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的石墨的粒徑為I μ m~20 μ m ;所述的六方氮化硼的粒徑為I μ m~20 μ m ;二、將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中在氬氣保護(hù)下進(jìn)行球磨，球料質(zhì)量比為(5~100):1,磨球直徑為3mm~IOmm,球磨時(shí)間為I~50小時(shí)，即得到非晶態(tài)的粉末；三、步驟二得到的非晶態(tài)粉末進(jìn)行超高壓燒結(jié)，即得到了非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟二中球料質(zhì)量比為(10~90):1，磨球直徑為5mm~8mm，球磨時(shí)間為15~35小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的非晶高硬的硅硼碳氮陶瓷材料的制備方法，其特征在于步驟三中超高壓燒結(jié)具體是操作如下:在燒結(jié)溫度為900~1600°C和燒結(jié)壓力為IGPa~7GPa的條件下燒結(jié)保溫時(shí)間為I~60分鐘。
【文檔編號(hào)】C04B35/515GK103613385SQ201310625253
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】楊治華, 梁斌, 賈德昌, 段小明, 王勝金, 周玉 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)