多孔BNNTs-SiO2-Si3N4复合材料的制备与介电性能研究

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:killall2009
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天线罩作为航天器信号传输系统的重要组成部分,由于其复杂的工作环境,需要具备更好的耐湿热性,更优异的力学性能和透波性能。随着Si3N4粉末生产、成型、烧结及加工技术的改进,氮化硅陶瓷的性能和可靠性得到不断提高。多孔氮化硅陶瓷具有优异的机械性能,化学稳定性,高温时抗氧化等热学性能及良好的介电性能,将获得更广泛的应用。本论文采用Si3N4为基体,以硅藻土和硬脂酸为造孔剂、BNNTs作增强相、Al2O3和Y203为烧结助剂,利用BN和SiO2优异的力学和介电性能,采用无压烧结工艺,制备多孔BNNTs-SiO2-Si3N4复合陶瓷材料。分析烧结温度、保温时间、造孔剂含量、BNNTs加入量等因素对材料的弯曲强度、断裂韧性、微观结构、热学性能和介电性能的影响。主要研究内容如下:(1)硅藻土作为造孔剂可以起到较好的造孔效果;添加10%的硅藻土1500°C烧结保温1h的BN-SiO2-Si3N4复合陶瓷气孔率达到最大值50.7%,提高约25%,其相应的弯曲强度和断裂韧性分别为78.04MPa和1.25MPa·m1/2,介电常数降低至约为3,介电损耗约在3×10-2,介电性能得到改善。气孔分布均匀,孔径大小主要分布0.3μm左右,微观结构良好。BN的添加阻碍烧结的致密化,提高烧结温度,增加保温时间可促进烧结的进行。(2)添加BNNTs对BNNTs-Si3N4复合陶瓷性能影响明显,可显著提高复合陶瓷的力学性能,提高复合材料抗高温弯曲的性能,但对其抗热震性能不利。1550°C烧结时,添加1%BNNTs的材料弯曲强度达到最高为276.03MPa,相比于不添加BNNTs的试样(弯曲强度227.18MPa)提高了约25%,同时其断裂韧性为3.29MPa·m1/2,气孔率为36.7%;介电常数达到4.4左右,介电损耗约在2-9×10-2之间。(3)共同添加5%的硅藻土和BNNTs能起到更好的造孔效果,同时其介电性能和力学性能都得到了提高。1500°C保温2h烧结制备BNNTs-SiO2-Si3N4复合陶瓷添加1%的BNNTs的试样强度韧性分别达到了最高值166.99MPa、3.54MPa-m1/2,相较于无BNNTs的试样的强度韧性120.79MPa和2.51MPa·m1/2,分别提高了约40%和50%;介电常数为3.6~3.9,介电损耗在5~10×10-2。本文利用硅藻土作造孔剂,BNNTs作增强相成功制备出综合性能优异的BNNTs-SiO2-Si3N4复合陶瓷,为满足天线罩等对透波材料的高性能的要求打下了基础,并为硅藻土和BNNTs在复合陶瓷中的应用做出了有意义的探索。
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