CN101104518B - 一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法 - Google Patents

一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法 Download PDF

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一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，它涉及纳米陶瓷粉体的制备方法。它解决了现有SiBON陶瓷粉体制备存在的合成周期较长、工艺繁杂等问题。本发明的方法为：一、将硼酸乙酯、乙醇和苯按照配制混合液，放入三口瓶中；二、向混合液中添加四氯化硅液体；三、维持磁力搅拌，向三口瓶中通氮气流，采用油浴加热方式控制反应温度；四、提高反应温度；五、将凝胶粉末放入管式炉内进行热处理，然后随炉冷却至室温取出经热处理的凝胶粉末；六、将经热处理后的凝胶粉末放入气氛烧结炉内，充入高纯氮气，冷却至室温，即制得SiBON纳米陶瓷粉体。本发明选用的原料容易获取，工艺周期短、操作简便，产物颗粒度在20～50纳米，产物为具有分散性好和非晶态的SiBON纳米陶瓷粉体。

Description

一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米陶瓷粉体的制备方法。
背景技术
微波介电材料是指对波长在11000mm，频率在0.3～300Hz范围的电磁波透过率大于70％的材料，属于光、电、磁和结构功能复合材料范畴，为介电-防热-结构一体化功能材料，具有低介电常数、低介电损耗、低热导率、低热膨胀率、抗热震性和化学稳定性能。因此，广泛适用于航天、电子、通讯等高科技领域。SiO2和BN是两种普遍使用的微波介质材料，它们的介电常数和介电损耗都很小，导热性、抗热震性和化学稳定性也很优异。然而，在单独作为导弹天线窗材料使用时，两种材料都存在下列问题：熔石英材料烧结制备时易析晶，抗烧蚀性能较差；BN材料在空气中使用时易于氧化和潮解，而且在烧蚀过程中表面温度高达3000℃，从而导致材料表面电离，损害其透波性能。SiO2和BN复合时可以达到很好的协同强化效果，虽然可以解决SiO2烧结时析晶和BN烧蚀时表面温度过高的问题，但是SiO2和BN在球磨混合过程中的均匀性很难得到保障，从而直接影响复合材料的性能。哈尔滨工业大学张俊宝等人利用溶胶-凝胶法首次研究制备出SiBON块体材料的方法，有效解决上述透波材料在使用中的诸多问题，而且SiBON块体材料获得较好的力学性能，但是该方法制备陶瓷粉体的合成周期较长(需10～30天)、制备工艺复杂(对温度条件要求苛刻，反应温度较窄，不容易控制，不利于大量生产)、粉体颗粒尺寸较大等问题，因此，制约了该材料的应用。
发明内容
本发明为了解决SiBON陶瓷粉体制备方法存在的合成周期较长、工艺繁杂和不利于规模化生产的问题，提供了一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，解决上述问题的具体技术方案如下：
本发明一种纳米SiBON陶瓷粉体制备方法是由下列步骤实现的：
步骤一、将硼酸乙酯、乙醇和苯按照1∶0.5∶3～9的摩尔比配制成混合液，放入三口瓶中，进行磁力搅拌；
步骤二、保持磁力搅拌，以10～50ml/h的添加速率向混合液中添加四氯化硅液体，硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1～2；
步骤三、继续维持磁力搅拌，以200～1000ml/min的流量向三口瓶中通入氮气，采用油浴加热装置控制反应温度在60～90℃，保持4～8小时；
步骤四、利用油浴加热装置将温度升至90～110℃并保持2～6小时(使其中的有机物挥发，氮气流将游离的有机物带走)，得到白色疏松的凝胶粉末；
步骤五、将步骤四获得的凝胶粉末放入管式炉内进行热处理，在1000ml/min氮气流下，管式炉以10℃/min的升温速率升温至600～800℃并保持温度30～60min，然后随炉冷却至室温取出经热处理的凝胶粉末；
步骤六、将经热处理后的凝胶粉末放入气氛烧结炉内，初始充入0.5～1.0Mpa高纯氮气，气氛烧结炉以10℃/min升温速率升温至1000～1200℃并保持温度2～6小时，随炉冷却至室温，即制得SiBON纳米陶瓷粉体。
本发明选用的原料容易获取，工艺周期短(仅需要2～3日即可)、操作简便，易于规模化生产，产物颗粒度在20～50纳米，产物为具有分散性好和非晶态的SiBON纳米陶瓷粉体。本发明的SiBON材料是在SiO2和BN及其复合材料的基础之上发展起来的一种微波介电材料，它综合了熔石英和氮化硼的优点，具有优良的防热性能、透波性能、耐烧蚀性能和力学性能，是新型航天器端头防热部件及通讯窗口材料的理想用材，在航天领域具有广泛的应用前景。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是由下列步骤实现的：
步骤一、将硼酸乙酯、乙醇和苯按照1∶0.5∶3～9的摩尔比配制成混合液，放入三口瓶中，采用磁力搅拌器进行磁力搅拌(三口瓶反应容器其中的一个口用于温度计测温，另一个口进气、剩下的一个口出气)；
步骤二、保持磁力搅拌，以10～50ml/h的添加速率向混合液中添加四氯化硅液体，硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1～2；
步骤三、继续维持磁力搅拌，以200～1000ml/min的流量向三口瓶中通入氮气，采用油浴加热装置控制反应温度在60～90℃，保持4～8小时；
步骤四、将油浴加热装置温度升至90～110℃并保持2～6小时，使其中的有机物挥发，氮气流将游离的有机物带走，得到白色疏松的凝胶粉末；
步骤五、将步骤四获得的凝胶粉末放入管式炉内进行热处理，在1000ml/min氮气流下，管式炉以10℃/min的升温速率升温至600～800℃并保持温度30～60min，然后随炉冷却至室温取出经热处理的凝胶粉末；
步骤六、将经热处理后的凝胶粉末放入气氛烧结炉内，初始充入0.5～1.0Mpa高纯氮气，气氛烧结炉以10℃/min升温速率升温至1000～1200℃并保持温度2～6小时，随炉冷却至室温，即制得SiBON纳米陶瓷粉体。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中的硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中的硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1.5。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中的硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶2。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤六中的气氛烧结炉以10℃/min升温速率升温至1200℃。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤二中以30ml/h的滴加速率向混合液中滴加四氯化硅液体。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中将硼酸乙酯、乙醇和苯按照1∶0.5∶9的摩尔比配制成混合液；步骤二中以以10ml/h的滴加速率向混合液中滴加四氯化硅液体，硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶2；步骤三中氮气流量为600ml/min，油浴加热控制反应温度为90℃保持4小时；步骤四中油浴加热控制反应温度升至100℃并保持4小时；步骤五在1000ml/min氮气流下，以10℃/min的升温速率升温至800℃并保持温度半小时，步骤六初始充入0.5Mpa高纯氮气，以10℃/min升温速率升温至1200℃并保持温度2小时。其它步骤与具体实施方式一相同。
本实施方式制备的SiBON纳米陶瓷粉体颗粒尺寸主要在20～30纳米。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中将硼酸乙酯、乙醇和苯按照1∶0.5∶3的摩尔比配制成混合液；步骤二中以30ml/h的滴加速率向混合液中滴加四氯化硅液体，硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1.5；步骤三中氮气流量为300ml/min，油浴加热控制反应温度为75℃保持6小时；步骤四中油浴加热控制反应温度升至105℃并保持4小时；步骤五在800ml/min氮气流下，以10℃/min的升温速率升温至700℃并保持温度45分钟，步骤六初始充入0.75Mpa高纯氮气，以10℃/min升温速率升温至1100℃并保持温度4小时。其它步骤与具体实施方式一相同。
本实施方式制备的SiBON纳米粉体颗粒尺寸主要为20～50纳米。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中将硼酸乙酯、乙醇和苯按照1∶0.5∶6的摩尔比配制成混合液；步骤二中以50ml/h的滴加速率向混合液中滴加四氯化硅液体，硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1；步骤三中氮气流量为900ml/min，油浴加热控制反应温度为60℃保持6小时；步骤四中油浴加热控制反应温度升至110℃并保持4小时；步骤五在800ml/min氮气流下，以10℃/min的升温速率升温至600℃并保持温度1小时，步骤六初始充入1.0Mpa高纯氮气，以10℃/min升温速率升温至1000℃并保持温度6小时。其它步骤与具体实施方式一相同。

Claims (7)

1.一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：
步骤一、将硼酸乙酯、乙醇和苯按照1∶0.5∶3～9的摩尔比配制成混合液，放入三口瓶中，进行磁力搅拌；
步骤二、保持磁力搅拌，以10～50ml/h的添加速率向混合液中添加四氯化硅液体，硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1～2；
步骤三、继续维持磁力搅拌，以200～1000ml/min的流量向三口瓶中通入氮气，采用油浴加热装置控制反应温度在60～90℃，保持4～8小时；
步骤四、将油浴加热装置温度升至90～110℃并保持2～6小时，并不包括90℃，得到白色疏松的凝胶粉末；
步骤五、将步骤四获得的凝胶粉末放入管式炉内进行热处理，在1000ml/min氮气流下，管式炉以10℃/min的升温速率升温至600～800℃并保持温度30～60min，然后随炉冷却至室温取出经热处理的凝胶粉末；
步骤六、将经热处理后的凝胶粉末放入气氛烧结炉内，初始充入0.5～1.0MPa高纯氮气，气氛烧结炉以10℃/min升温速率升温至1000～1200℃并保持温度2～6小时，随炉冷却至室温，即制得SiBON纳米陶瓷粉体。
2.根据权利要求1所述的一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤二中的硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1。
3.根据权利要求1所述的一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤二中的硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶1.5。
4.根据权利要求1所述的一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤二中的硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶2。
5.根据权利要求1所述的一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤六中的气氛烧结炉以10℃/min升温速率升温至1200℃。
6.根据权利要求1所述的一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤二中以30ml/h的滴加速率向混合液中滴加四氯化硅液体。
7.根据权利要求1所述的一种纳米SiBON陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤一中将硼酸乙酯、乙醇和苯按照1∶0.5∶9的摩尔比配制成混合液；步骤二中以10ml/h的滴加速率向混合液中滴加四氯化硅液体，硼酸乙酯与四氯化硅的摩尔比为1∶2；步骤三中氮气流量为600ml/min，油浴加热控制反应温度为90℃保持4小时；步骤四中油浴加热控制反应温度升至100℃并保持4小时；步骤五在1000ml/min氮气流下，以10℃/min的升温速率升温至800℃并保持温度半小时，步骤六初始充入0.5MPa高纯氮气，以10℃/min升温速率升温至1200℃并保持温度2小时。
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