氮化硼纤维陶瓷基透波复合材料

氮化硼纤维陶瓷基透波复合材料是什么？运用氮化硼细化溫度高、介电性能出色的特点，将其与方解石化学纤维、氮化硅瓷器等复合型， 可做成综合型能出色的透波复合材料。

现阶段，透波复合材料的制取方式关键有二种：高溫烧结法和先行者体法。
（1）高溫烧结法， 包含反映烧结法、压合烧结法、热等静压法等，其原材料关键是各种各样陶瓷粉体，所制取的大多数为颗粒物提高的复合材料。
（2）先行者体法，选用有机化学或无机化合物为先行者体，所制取的大多数为化学纤维提高的复合材料。高溫烧结法应用早期，其加工工艺也最成熟期，得到了普遍的运用。
氮化物纤维具有优异的高温力学性能和热稳定性,是高马赫数飞行器透波材料的理想增强体.原始BN纤维的主要成分为BN(包括h-BN,a-BN和t-BN),由于较弱的氧化作用,还存在少量B_2O_3.在BN纤维的制备过程中,由(B_2O_3)_n·NH_3,(BN)_x(B_2O_3)_y·(NH_3)z和(B_2O_3)n·H_2O分解产生的B_2O_3在高温下形成并扩散到纤维表面,在温度高于1100oC时挥发形成表面缺陷.在1400oC氮气气氛中热处理后,纤维呈现出粗糙的表面,质量几乎没有变化.随着温度的升高,其结晶度越来越高.
热力学上,BN纤维在常温下,干燥的空气或氧气中就会发生氧化作用;动力学上,其氧化在本质上是属于气(O_2)/固(BN)扩散以及表面化学反应.BN纤维氧化后生成B_2O_3,即使在1400oC下,纤维表面的孔洞仍然很浅,这是由于玻璃态的B_2O_3可作为保护层,对氧化有一定的阻碍作用.BN纤维的吸潮机制主要有物理吸附作用,B-N键水解作用以及B_2O_3杂质的强吸水性三种.其本质原因是结晶不完全的BN晶体结构松散,层间距较大,化学活性较高.FT-IR,XRD和SEM结果表明,温度是影响其水解作用的关键外因.

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.