氮化硼纤维陶瓷基透波复合材料

研究了不同先驱体浸渍—裂解(PIP)工艺条件对BN_f/BN复合材料力学性能的影响,采用优化后的工艺制备了BN_f/BN复合材料并对其力,热,电性能进行了表征与分析.随着纤维体积分数的不断提高,经过4次PIP循环后材料的密度也逐渐提高.采用40%的纤维体积分数对复合材料韧性较为有利.过长的浸渍与保温时间,过快的升温与冷却速率以及过高的裂解温度均对材料力学性能不利.制备BN_f/BN复合材料的较优工艺条件为:纤维体积分数40%,浸渍时间120 min,裂解升温速率5oC·min-1,温度1000oC,保温时间60 min,冷却速率10oC·min-1,共4次PIP循环.所制备的材料密度为1.60 g·cm-3,开气孔率为4.66%,平均弯曲强度,弹性模量和断裂韧性分别为53.8 MPa,20.8 GPa和6.88 MPa·m1/2.材料显示出良好的力学性能.在室温~1000oC范围内,随着温度的升高,材料的弯曲强度和模量都逐渐降低.1000oC时,其弯曲强度和模量分别为36.2 MPa和8.6 GPa,为室温时的67.3%和41.3%.材料在室温下热膨胀系数为3.81×10~(-6) K-1,且随着温度的升高而降低.室温下材料热导率和比热分别为1.016 W·m-1·K-1和0.618J·g~(-1)·K~(-1).在300oC范围内随着温度的升高其值也逐渐增加,但300oC时热导率仅为1.654 W·m~(-1)·K~(-1).BN_f/BN复合材料在2~18 GHz频段的介电常数和损耗平均值分别为3.07和0.0044. 

研究了高温热处理对材料性能的影响.材料经空气中1300oC热处理后,表面O含量增加到46.26At%,弯曲强度,弹性模量和断裂韧性都不同程度的降低,其值分别只有处理前的46.4%,41.3%和31.2%,且为明显的脆性断裂.

热处理后材料的热膨胀系数明显增加,其在室温下为7.25×10~(-6) K~(-1),在300oC以上则随着温度的升高而减小,到900oC时为3.44×10~(-6) K~(-1).材料的热导率和比热也有所增加,室温下分别为0.989 W·m~(-1)·K~(-1)和0.630 J·g~(-1)·K~(-1),但增加的幅度很小.其介电常数和损耗角正切值分别为3.32和0.0035(Ku波段),介电常数略有增加,而介电损耗有所减少. 采用溶胶—凝胶法制备了BN_f/SiO_2复合材料,并研究了其组成,结构和力学性能.

结果表明,BN_f/SiO_2复合材料的界面相由α-Si3N4和B_2O_3组成.材料密度为1.70 g·cm-3,开气孔率为20.8%.其平均弯曲强度,弹性模量和断裂韧性分别为51.2 MPa,23.2 GPa和1.46 MPa·m1/2.材料断口平齐,几乎没有纤维拔出,为脆性断裂模式.-Si-N-和-Si-O-B-等强的界面键合导致其韧性较差.材料在300~1000oC的弯曲强度比室温高,在500oC时达到最大,为80.2 MPa,强度保留率为156.8%.高温下熔融的SiO_2和B_2O_3粘性流动产生的自愈合现象以及BN纤维较高的热稳定性使材料有着较好的高温力学性能.