[发明专利]一种氮化硼纳米管/纳米片-碳化硼陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮化硼纳米管/纳米片‑碳化硼陶瓷复合材料及其制备方法。其制备为：在去离子水中依次加入表面活性剂和碳化硼粉体，混合均匀得碳化硼悬浮液，继续加入氮化硼纳米管/纳米片杂化粉体，搅拌、超声、冷冻干燥得到氮化硼纳米管/纳米片‑碳化硼复合粉体，最后置于氩气气氛下热压烧结，随炉冷却至室温，得到氮化硼纳米管/纳米片‑碳化硼陶瓷复合材料；其中氮化硼纳米管/纳米片杂化粉体为氮化硼纳米片上原位生长氮化硼纳米管形成的杂化结构。该方法所得陶瓷复合材料中，氮化硼纳米管/纳米片在碳化硼陶瓷复合材料中均匀分散，能同时发挥氮化硼纳米管和纳米片的强韧化优势及其多维度协同效应，显著提升碳化硼陶瓷材料的强度和韧性。

技术领域

本发明属于先进结构陶瓷材料领域，具体涉及一种氮化硼纳米管/纳米片-碳化硼陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

低维增强相强韧化的碳化硼(B₄C)陶瓷基复合材料具有高比强度、高比模量、高硬度、低密度，以及高断裂韧性和高断裂功等优良特性，是一类重要的轻质陶瓷装甲材料，是国防建设与现代工业的重要支撑材料之一。随着应用领域和服役环境的不断拓展，对碳化硼陶瓷基复合材料的韧性、强度和可靠性提出了更高的要求。

氮化硼纳米材料(纳米管、纳米片)具有高杨氏模量和高断裂强度的优点，如：利用透射电子显微镜-原子力显微镜(TEM-AFM)测得直径为11.9～44.3nm的单根氮化硼纳米管(BNNTs)的断裂强度为14.1～33.2GPa，断裂应变为1.5～3.4％，杨氏模量为725～1343GPa(Wei X L,et al.Adv Mater.,2010,22,4895)，与理论预测较为吻合(Hernández E,etal.Phys Rev Lett.,1998,80,4502)。利用AFM研究氮化硼纳米片(BNNSs)的力学性能发现：氮化硼层间较大的滑移能可以阻止片层间的移动，厚度变化(1～9层)对BNNSs的力学性能影响不大，断裂强度为70.5±5.5GPa，杨氏模量为0.865±0.073TPa(Falin A,et al.NatCommun.,2017,8,15815)。

力学性能优异的氮化硼纳米管和纳米片是陶瓷基复合材料中有效的无机纳米添加相。日本国立材料研究所的学者率先研究了含BNNTs的Al₂O₃和Si₃N₄陶瓷复合材料，结果表明：仅添加0.5wt％的BNNTs，Al₂O₃陶瓷在1300℃下产生了脆性-延性的转变趋势；Si₃N₄陶瓷在同样的变形条件下能降低75％的载荷应力(Huang Q,et al.Nanotechnology,2007,18,485706)。BNNTs在ZrO₂陶瓷复合材料中能强化ZrO₂的晶界、改变材料的断裂方式(由沿晶断裂变为穿晶断裂)、影响ZrO₂的相变(产生相变增韧机制)、提高ZrO₂陶瓷复合材料的韧性(Xu J J,et al.Mat Sci Eng A.,2012,546,301.Tatarko P,et al.J Eur Ceam Soc.,2014,34,1829)。对于含氮化硼纳米片的Si₃N₄陶瓷材料，BNNSs在Si₃N₄陶瓷中产生裂纹桥接和钝化效应，提高Si₃N₄的断裂韧性和弯曲强度；BNNSs包裹在Si₃N₄晶粒上形成润滑膜，降低Si₃N₄的摩擦系数，提高其耐磨性(Lee B,et al.Sci.Rep.,2016,6,27609)。在B₄C陶瓷中加入5wt％的立方相氮化硼进行放电等离子烧结，氮化硼会由立方相转变为六方相，原位形成的六方相氮化硼薄片在B₄C基体上也能够吸收裂纹扩展所需能量，B₄C陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性分别提高了32.7％和58.6％(Sun J C,et al.J Eur Ceam Soc.,2020,1103)。