一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體及其制備方法
【專利摘要】一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體及其制備方法,涉及一種陶瓷粉體及其制備方法，本發(fā)明利用高分子網(wǎng)絡法與溶膠-凝膠法相結合的新方法制備出非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體。其中不添加任何催化劑和表明活性劑，而是先通過高分子聚合反應形成高分子三維網(wǎng)絡，使原料先鑲嵌到高分子三維網(wǎng)絡間隙中，然后通過鑲嵌在高分子三維網(wǎng)絡間隙中的正硅酸乙酯水解，并在高分子三維網(wǎng)絡間隙中形成由硅-氧-硅鍵構成的網(wǎng)絡凝膠，使硼源、氮源、硅源和碳源達到分子級別均勻混合，最終獲得非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體。本發(fā)明操作簡單、原料來源廣泛，可大批量規(guī)?；a(chǎn)。
【專利說明】一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陶瓷粉體及其制備方法，特別是涉及一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體及其制備方法。

【背景技術】
[0002]常見的氮化硼陶瓷分為六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)兩種類型。這兩種氮化硼陶瓷都具有耐高溫、抗熱震、抗氧化、高熱導率、高電阻率、高介電性能、低密度、耐化學腐蝕的特點、以及與多種金屬不浸潤等優(yōu)良的物理與化學特性。此外，六方氮化硼還具有良好機械加工性和自潤滑特性，大大降低陶瓷材料的加工成本。然而六方氮化硼機械性能偏低，使其應用受到嚴重限制。為此，在六方氮化硼(h-BN)陶瓷材料基體中引入強度與硬度較高的納米碳化硅(SiC)作為第二增強相的氮化硼與碳化硅復合陶瓷(BN-SiC)材料的研究成為廣大科技工作者的研究熱點。但是，目前存在的主要問題是制備氮化硼與碳化硅復合陶瓷(BN-SiC)材料的原料主要是通過機械球磨混料方式獲得，也就是通過球磨混料方式直接將六方氮化硼粉體與納米碳化硅粉體混合，不能使原料達到原子或分子級別的均勻混合，很難使氮化硼與碳化硅的復合陶瓷(BN-SiC)燒結致密。主要原因是機械球磨混料不均勻，并且氮化硼和碳化硅都是共價鍵化合物，原子擴散系數(shù)都很小，所以很難燒結致密，況且燒結溫度也很高，通常的燒結溫度為1900-2000°C，這對設備的承受能力是一種極大的考驗，且生產(chǎn)周期長，成本高昂，對能源也造成了巨大了浪費。另一方面，燒結溫度過高，容易發(fā)生晶粒嚴重長大現(xiàn)象，機械性能也急劇下降。因此，如何降低燒結溫度已成為制約氮化硼與碳化硅復合陶瓷材料發(fā)展的關鍵技術瓶頸。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體及其制備方法，該方法氮化硼與碳化硅達到原子或分子級別的均勻混合，內部原子排列混亂、不規(guī)則排列，長程無序，燒結活性很高。采用這種燒結活性很高的非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體作為原料可達到降低燒結溫度的目的。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體，所述粉體的原料共有三部分組成，利用電子天平或量筒分別稱量以下原料:
第一部分原料由用來形成氮化硼的硼源(硼砂、硼酸)和氮源(尿素)組成，硼源和氮源的摩爾比為1:4，硼砂與硼酸的摩爾比值范圍是1:1至1:3 ；
第二部分原料由用來形成碳化硅的硅源(正硅酸乙酯)和碳源(蔗糖)組成，硅源與碳源的摩爾比是5:5.5至5:7 ；
第三部分原料由丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨組成，丙烯酰胺、N, N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨的質量配比為100:4:25。
[0005]一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的制備方法，所述方法包括以下過程: a.首先進行稱重配料，然后制備非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體凝膠:
(1)先將第一部分原料(硼砂、硼酸和尿素)溶入去離子水中，攪拌，形成均一透明的溶液⑷，待用；
(2)將第二部分原料(正硅酸乙酯、蔗糖)溶入適量的去離子水和無水乙醇的混合溶液之中，攪拌，形成均一透明的溶液(B)，待用；
(3)將溶液(B)緩慢倒入溶液(A)中，繼續(xù)攪拌，形成均一透明的溶液(C)；
(4)將透明溶液(C)置于65-70攝氏度的恒溫水浴中，充分攪拌，再將丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨依次放入上述溶液(C)中，繼續(xù)攪拌，直至發(fā)生高分子聚合反應為止，使第一部分和第二部分的所有原料都鑲嵌到高分子三維網(wǎng)絡凝膠間隙之中，即可獲得高分子三維網(wǎng)絡凝膠，待用；
(5)然后在室溫下將上述高分子三維網(wǎng)絡凝膠靜止陳化處理12-72小時，直至鑲嵌在高分子三維網(wǎng)絡凝膠間隙中的正硅酸乙酯充分水解形成由硅-氧-硅鍵構成的三維網(wǎng)絡凝膠為止，即可獲得非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體凝膠，待用；
b.制備非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體粉體:
將上述前驅體凝膠在干燥箱中干燥處理，然后在箱式爐內200-300攝氏度徹底烘干脫水后研磨得到前驅體粉體，待用；
c.非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的低溫合成:
先將上述前驅體粉體放入低溫管式氣氛爐中，抽真空后通入氨氣，然后在流動氨氣下，以每分鐘5攝氏度的升溫速率升至300攝氏度并保溫1-3小時，繼續(xù)以每分鐘10攝氏度的升溫速率升溫至700-800攝氏度進行氮化并保溫3-5小時，之后隨爐冷卻，獲得非晶態(tài)復合陶瓷粉體的中間過渡態(tài)粉體，待用。
[0006]d.非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的高溫合成:
將上述中間過渡態(tài)復合粉體研磨，并迅速置于高溫管式氣氛爐中，抽真空后通入氬氣，然后在流動氬氣下，以10攝氏度的升溫速度升溫至(1350-1500)攝氏度，保溫3-5小時，之后隨爐冷卻，獲得非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體。
[0007]e.除雜處理:
為了提高所得非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體的純度；待冷卻到室溫以后，將產(chǎn)品取出，先用稀鹽酸進行酸洗，再用去離子水清洗，然后再用無水乙醇清洗，清洗后的產(chǎn)品放入烘箱，60攝氏度干燥24小時。最后將干燥后的產(chǎn)品置于快速升溫爐中600攝氏度除碳，最終得到純度較高的非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點與效果是:
本發(fā)明利用高分子網(wǎng)絡法與溶膠-凝膠法相結合的新方法制備出非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體。其中不添加任何催化劑和表明活性劑，而是先通過高分子聚合反應形成高分子三維網(wǎng)絡，使原料先鑲嵌到高分子三維網(wǎng)絡間隙中，然后通過鑲嵌在高分子三維網(wǎng)絡間隙中的正硅酸乙酯水解，并在高分子三維網(wǎng)絡間隙中形成由硅-氧-硅鍵構成的網(wǎng)絡凝膠，使硼源、氮源、硅源和碳源達到分子級別均勻混合，最終獲得非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是實施例1所得粉體的X射線衍射圖譜；
圖2是實施例1所得粉體的選區(qū)電子衍射花樣；
圖3是實施例1所得粉體的高分辨透射電鏡照片。

【具體實施方式】
[0010]下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步詳述。
[0011]實施例1:
1.配料
利用電子天平或量筒分別稱取或稱量第一部分原料(硼砂9.6克、硼酸1.6克、尿素15克)、第二部分原料(正硅酸乙酯5毫升、蔗糖5.7克)和第三部分原料(丙烯酰胺5克、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺0.2克、過硫酸銨1.25克)，待用。
[0012]2.制備非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體凝膠
(1)先將第一部分原料(硼砂、硼酸和尿素)溶入適量的去離子水中，攪拌，形成均一透明的溶液(A)，待用；
(2)將第二部分原料(正硅酸乙酯、蔗糖)溶入適量的去離子水和無水乙醇的混合溶液之中，攪拌，形成均一透明的溶液(B)，待用；
(3)將溶液(B)緩慢倒入溶液(A)中，繼續(xù)攪拌，形成均一透明的溶液(C)；
(4)將透明溶液(C)置于65-70攝氏度的恒溫水浴中，充分攪拌，再將丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨依次放入上述溶液(C)中，繼續(xù)攪拌，直至發(fā)生高分子聚合反應為止，使第一部分和第二部分的所有原料都鑲嵌到高分子三維網(wǎng)絡凝膠間隙之中，即可獲得高分子三維網(wǎng)絡凝膠，待用；
(5)然后在室溫下將上述高分子三維網(wǎng)絡凝膠靜止陳化處理36小時，直至鑲嵌在高分子三維網(wǎng)絡凝膠間隙中的正硅酸乙酯充分水解形成由硅-氧-硅鍵構成的三維網(wǎng)絡凝膠為止，即可獲得非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體凝膠，待用。
[0013]3.制備非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體粉體
將上述前驅體凝膠在干燥箱中干燥處理，然后在箱式爐內300攝氏度徹底烘干脫水后研磨得到前驅體粉體，待用。
[0014]4.非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的低溫合成
先將上述前驅體粉體放入低溫管式氣氛爐中，抽真空后通入氨氣，然后在流動氨氣下，以每分鐘5攝氏度的升溫速率升至300攝氏度并保溫I小時，繼續(xù)以每分鐘10攝氏度的升溫速率升溫至700攝氏度進行氮化并保溫3小時，之后隨爐冷卻，獲得非晶態(tài)復合陶瓷粉體的中間過渡態(tài)粉體，待用。
[0015]5.非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的高溫合成
將上述中間過渡態(tài)復合粉體研磨，并迅速置于高溫管式氣氛爐中，抽真空后通入氬氣，然后在流動氬氣下，以10攝氏度的升溫速度升溫至1400攝氏度，保溫3小時，之后隨爐冷卻，獲得非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體。
[0016]6.除雜處理
為了提高所得非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體的純度。待冷卻到室溫以后，將產(chǎn)品取出，先用稀鹽酸進行酸洗，再用去離子水清洗，然后再用無水乙醇清洗，清洗后的產(chǎn)品放入烘箱，60攝氏度干燥24小時。最后將干燥后的產(chǎn)品置于快速升溫爐中600攝氏度除碳，最終得到純度較高的非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體。
[0017]圖1是實施例1所得粉體的X射線衍射圖譜。從圖中可以看出，只出現(xiàn)h-BN的(002)晶面衍射峰，而且衍射峰較寬，表明有多晶。同時在衍射角為41.5度、71.4度和76.1度處還出現(xiàn)六方氮化硼(h-BN)的非晶態(tài)衍射包，在衍射角為54.6度處還出現(xiàn)碳化硅(SiC)的非晶態(tài)衍射包，表明所獲得的粉體狀態(tài)除少量呈現(xiàn)多晶態(tài)氮化硼外，其余主要呈非晶態(tài)，即為非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體。
[0018]圖2是實施例1所得粉體的選區(qū)電子衍射花樣。從圖可以看出，只出現(xiàn)h-BN的(002)晶面的多晶衍射圓環(huán)，其它衍射斑點或衍射圓環(huán)均未出現(xiàn)，說明為非晶態(tài)，此結果正好與上述圖1結果相吻合。
[0019]圖3是實施例1所得粉體的高分辨透射電鏡照片。從圖可以看出，絕大部分區(qū)域的粉體晶格排列混亂，無周期規(guī)則排列，確切地說晶格排列短程有序、長程無序，這正是非晶態(tài)的主要特征，進一步證實所得粉體主要呈非晶態(tài)。
[0020]實施例2 1.配料
利用電子天平或量筒分別稱取或稱量第一部分原料(硼砂6.8克、硼酸3.3克、尿素15克)、第二部分原料(正硅酸乙酯4.5毫升、蔗糖5.6克)和第三部分原料(丙烯酰胺5.5克、N, N-亞甲基雙丙烯酰胺0.22克、過硫酸銨1.375克)，待用。
[0021]2.制備非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體凝膠
(1)先將第一部分原料(硼砂、硼酸和尿素)溶入適量的去離子水中，攪拌，形成均一透明溶液(A)，待用；
(2)將第二部分原料(正硅酸乙酯、蔗糖)溶入適量的去離子水和無水乙醇的混合溶液之中，攪拌，形成均一透明溶液(B)，待用；
(3)將溶液⑶緩慢倒入溶液㈧中，繼續(xù)攪拌，形成均一透明溶液(C)；
(4)將透明溶液(C)置于70攝氏度的恒溫水浴中，充分攪拌，再將第二部分原料(丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨)依次放入上述溶液(C)中，繼續(xù)攪拌，直至發(fā)生高分子聚合反應形成高分子三維網(wǎng)絡凝膠為止，使第一部分和第二部分中的所有原料都鑲嵌到高分子三維網(wǎng)絡凝膠間隙之中，即可獲得高分子三維網(wǎng)絡凝膠，待用；
(5)然后在室溫下將上述高分子三維網(wǎng)絡凝膠靜止陳化處理24小時，直至鑲嵌在高分子三維網(wǎng)絡凝膠間隙中的正硅酸乙酯充分水解形成由硅-氧-硅鍵構成的三維網(wǎng)絡凝膠為止，即可獲得非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體凝膠，待用。
[0022]3.制備非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體粉體
將上述前驅體凝膠在干燥箱中干燥處理，然后在箱式爐內300攝氏度徹底烘干脫水后研磨得到前驅體粉體，待用。
[0023]4.非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的低溫合成
先將上述前驅體粉體放入低溫管式氣氛爐中，抽真空后通入氨氣，然后在流動氨氣下，以每分鐘5攝氏度的升溫速率升至300攝氏度并保溫I小時，繼續(xù)以每分鐘10攝氏度的升溫速率升溫至720攝氏度進行氮化并保溫3小時，之后隨爐冷卻，獲得非晶態(tài)復合陶瓷粉體的中間過渡態(tài)粉體，待用。
[0024]5.非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的高溫合成
將上述中間過渡態(tài)復合粉體研磨，并迅速置于高溫管式氣氛爐中，抽真空后通入氬氣，然后在流動氬氣下，以10攝氏度的升溫速度升溫至1370攝氏度，保溫4小時，之后隨爐冷卻，獲得非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體。
[0025]6.除雜處理
為了提高所得非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體的純度。待冷卻到室溫以后，將產(chǎn)品取出，先用稀鹽酸進行酸洗，再用去離子水清洗，然后再用無水乙醇清洗，清洗后的產(chǎn)品放入烘箱，60攝氏度干燥24小時。最后將干燥后的產(chǎn)品置于快速升溫爐中600攝氏度除碳，最終得到純度較高的非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體。
【權利要求】
1.一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體，其特征在于，所述粉體的原料共有三部分組成，利用電子天平或量筒分別稱量以下原料: 第一部分原料由用來形成氮化硼的硼源(硼砂、硼酸)和氮源(尿素)組成，硼源和氮源的摩爾比為1:4，硼砂與硼酸的摩爾比值范圍是1:1至1:3 ； 第二部分原料由用來形成碳化硅的硅源(正硅酸乙酯)和碳源(蔗糖)組成，硅源與碳源的摩爾比是5:5.5至5:7 ； 第三部分原料由丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨組成，丙烯酰胺、N, N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨的質量配比為100:4:25。
2.一種非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下過程: a.首先進行稱重配料，然后制備非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體凝膠: (1)先將第一部分原料(硼砂、硼酸和尿素)溶入去離子水中，攪拌，形成均一透明的溶液⑷，待用； (2)將第二部分原料(正硅酸乙酯、蔗糖)溶入適量的去離子水和無水乙醇的混合溶液之中，攪拌，形成均一透明的溶液(B)，待用； (3)將溶液(B)緩慢倒入溶液(A)中，繼續(xù)攪拌，形成均一透明的溶液(C)； (4)將透明溶液(C)置于65-70攝氏度的恒溫水浴中，充分攪拌，再將丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸銨依次放入上述溶液(C)中，繼續(xù)攪拌，直至發(fā)生高分子聚合反應為止，使第一部分和第二部分的所有原料都鑲嵌到高分子三維網(wǎng)絡凝膠間隙之中，即可獲得高分子三維網(wǎng)絡凝膠，待用； (5)然后在室溫下將上述高分子三維網(wǎng)絡凝膠靜止陳化處理12-72小時，直至鑲嵌在高分子三維網(wǎng)絡凝膠間隙中的正硅酸乙酯充分水解形成由硅-氧-硅鍵構成的三維網(wǎng)絡凝膠為止，即可獲得非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體凝膠，待用； b.制備非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的前驅體粉體: 將上述前驅體凝膠在干燥箱中干燥處理，然后在箱式爐內200-300攝氏度徹底烘干脫水后研磨得到前驅體粉體，待用； c.非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的低溫合成: 先將上述前驅體粉體放入低溫管式氣氛爐中，抽真空后通入氨氣，然后在流動氨氣下，以每分鐘5攝氏度的升溫速率升至300攝氏度并保溫1-3小時，繼續(xù)以每分鐘10攝氏度的升溫速率升溫至700-800攝氏度進行氮化并保溫3-5小時，之后隨爐冷卻，獲得非晶態(tài)復合陶瓷粉體的中間過渡態(tài)粉體，待用； d.非晶態(tài)氮化硼與碳化硅復合陶瓷粉體的高溫合成: 將上述中間過渡態(tài)復合粉體研磨，并迅速置于高溫管式氣氛爐中，抽真空后通入氬氣，然后在流動氬氣下，以10攝氏度的升溫速度升溫至(1350-1500)攝氏度，保溫3-5小時，之后隨爐冷卻，獲得非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體； e.除雜處理: 為了提高所得非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體的純度；待冷卻到室溫以后，將產(chǎn)品取出，先用稀鹽酸進行酸洗，再用去離子水清洗，然后再用無水乙醇清洗，清洗后的產(chǎn)品放入烘箱，60攝氏度干燥24小時； 最后將干燥后的產(chǎn)品置于快速升溫爐中600攝氏度除碳，最終得到純度較高的非晶態(tài)氮化硼和碳化硅復合陶瓷粉體。
【文檔編號】C04B35/634GK104446491SQ201410657566
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權日:2014年11月19日
【發(fā)明者】張寧, 闞洪敏, 王曉陽, 龍海波, 楊非易 申請人:沈陽大學