一种bn-mas陶瓷复合材料及其制备方法[0002]天线罩位于飞行器的头部，是一种集导流、承载、透波、防热、耐蚀等多功能为一体的结构/功能部件。[0003]随着空间飞行器飞行马赫数的不断提高，对于飞行器天线窗或天线罩材料要求日益严苛。高超音速飞行器要求透波材料具有高耐热性、优异的介电性能和抗热冲击性能，以及良好的力学性能。现有的陶瓷材料很难满足这些要求；现有的热压烧结氮化硼陶瓷，主要通过与熔石英、氮化硅、氧化铝、氮化铝等制备复合材料，以提高其耐热性、抗热冲击性及力学性能，但存在着性能提升不够明显，并且烧结温度过高、烧结压力过大导致成本高、效率低，因此难于大规模生产制造。对于以MAS作为第二相引入BN陶瓷中制备复合材料和性能的研究还未见报道。
[0004]本发明是要解决现有氮化硼陶瓷材料生产中烧结温度过高、烧结压力过大导致成本高、效率低的技术问题，从而提供了一种BN-MAS陶瓷复合材料及其制备方法。[0005]本发明的一种BN-MAS陶瓷复合材料按质量百分含量由2%~10%的MgO粉末、9%~25%的Al2O3粉末、9%~36%的非晶SiO2粉末和余量的六方BN粉末制成。[0006]上述的BN-MAS陶瓷复合材料的制备方法是按以下步骤进行的:[0007]一、称量:按质量百分比含量称取2%~10%的MgO粉末、9%~25%的Al2O3粉末、9%~36%的非晶SiO2粉末和余量的六方氮化硼粉末；
[0008]二、球磨制浆:将步骤一称取的粉末置于容器中，加入介质，以200~300r/min的速率球磨20~24h，得到混合浆料；其中，所述介质与步骤一称取的粉末的质量比为3~8:1 ；
[0009]三、干燥制粉:将步骤二得到的混合浆料在温度为60~100°C下烘干0.5~lh，烘干后研碎，过200目筛后，得到混合粉料；
[0010]四、装模预压:将步骤三得到的混合粉料装入模具内，然后在压力为10~15MPa下进行预压成型；
[0011]五、烧结处理:将预压后装有粉体的模具置于烧结炉内，充入保护气体，在温度为1300~1500°C、压力为5~20MPa的条件下烧结0.5~3h，得到BN-MAS陶瓷复合材料；
[0012]其中，步骤一所述的MgO粉末的纯度为98.0%，Al2O3粉末的纯度为98.5%，非晶SiO2粉末的纯度为99.5 %， 六方氮化硼粉末的纯度为99.0 %。
[0013]本发明包括以下有益效果:
[0014]1、本发明的BN-MAS陶瓷复合材料性能优异，在1450°C烧结所得致密度达99.4%,在室温下用三点弯曲法测试得到的抗弯强度可达到213.2MPa±24.8MPa，弹性模量为73.5GPa±3.0GPa，断裂韧性可达到2.4MPa.ι?1/2±0.3MPa.ι?1/2，介电常数达到5.81，介电损耗角正切值为6.57 X 10_3，达到比较好的介电性能；
[0015]2、本发明首次以MAS作为第二相制备BN-MAS陶瓷复合材料，采用热压烧结工艺，获得一种力学性能、热学性能和介电性能等综合性能良好的新型透波材料，其力学性能、热学性能和介电性能均达到天线罩材料的要求。
[0016]3、本发明以六方相BN为基体，通过添加Mg0、Al203和非晶SiO2在高温下固相反应生成MAS系微晶玻璃(MAS系微晶玻璃包含非晶相，莫来石相，堇青石相等)制备BN-MAS陶瓷复合材料；其中，MAS在高温下为液相，起到了促进烧结的作用，烧结完成后非晶相可起到粘结剂的作用，提高了 BN陶瓷基复合材料的强度和致密度，而六方BN颗粒的存在提高了MAS微晶玻璃的韧性及抗热冲击能力。因此，本发明制备的BN-MAS陶瓷复合材料可以满足高马赫数飞行器的要求，并且生产工艺简单,生产成本低,生产效率高,适合工业化生产。



[0017]图1为本发明制备的BN-MAS陶瓷复合材料的XRD图谱；其中，“☆”为六方氮化硼的衍射峰，“ ▼ ”为莫来石的衍射峰。

[0018]一:本实施方式的一种BN-MAS陶瓷复合材料按质量百分含量由2 %~10 %的MgO粉末、9 %~25 %的Al2O3粉末、9 %~36 %的非晶SiO2粉末和余量的六方BN粉末制成。
[0019]本实施方式包括以下有益效果:
[0020]1、本实施方式的BN-MAS陶瓷复合`材料性能优异，在1450°C烧结所得致密度达99.4%，在室温下用三点弯曲法测试得到的抗弯强度可达到213.2MPa±24.8MPa，弹性模量为73.5GPa±3.0GPa，断裂韧性可达到2.4MPa.m1/2±0.3MPa.m1/2，介电常数达到5.81，介电损耗角正切值为6.57 X 10_3，达到比较好的介电性能；
[0021]2、本实施方式首次以MAS作为第二相制备BN-MAS陶瓷复合材料，采用热压烧结工艺，获得一种力学性能、热学性能和介电性能等综合性能良好的新型透波材料，其力学性能、热学性能和介电性能均达到天线罩材料的要求。
[0022]二:本实施方式的一种BN-MAS陶瓷复合材料的制备方法是按以下步骤进行的:
[0023]一、称量:按质量百分比含量称取2%~10%的MgO粉末、9%~25%的Al2O3粉末、9%~36%的非晶SiO2粉末和余量的六方氮化硼粉末；
[0024]二、球磨制浆:将步骤一称取的粉末置于容器中，加入介质，以200~300r/min的速率球磨20~24h，得到混合浆料；其中，所述介质与步骤一称取的粉末的质量比为3~8:1 ；
[0025]三、干燥制粉:将步骤二得到的混合浆料在温度为60~100°C下烘干0.5~lh，烘干后研碎，过200目筛后，得到混合粉料；
[0026]四、装模预压:将步骤三得到的混合粉料装入模具内，然后在压力为10~15MPa下进行预压成型；[0027]五、烧结处理:将预压后装有粉体的模具置于烧结炉内，充入保护气体，在温度为1300~1500°C、压力为5~20MPa的条件下烧结0.5~3h，得到BN-MAS陶瓷复合材料。
[0028]本实施方式以六方相BN为基体，通过添加Mg0、Al203和非晶SiO2在高温下固相反应生成MAS系微晶玻璃(MAS系微晶玻璃包含非晶相，莫来石相，堇青石相等)制备BN-MAS陶瓷复合材料。其中，MAS在高温下为液相，起到了促进烧结的作用，烧结完成后非晶相可起到粘结剂的作用，提高了 BN陶瓷基复合材料的强度和致密度。而六方BN颗粒的存在提高了 MAS微晶玻璃的韧性及抗热冲击能力。因此本发明制备的BN-MAS陶瓷复合材料可以满足高马赫数飞行器的要求，并且生产工艺简单，生产成本低，生产效率高，适合工业化生产。
[0029]三:本实施方式与二不相同的是:步骤二中介质为乙醇或丙酮。其它与二相同。
[0030]四:本实施方式与二或三不同的是:步骤二中采用氧化招磨球或氧化错磨球，球料质量比为3:1。其它与二或三相同。
[0031]五:本实施方式与二至四之一不同的是:步骤二中以200r/min的速率球磨24h。其它与二至四之一相同。
[0032]六:本实施方式与二至五之一不同的是:步骤三中在温度为80°C下烘干lh。其它与二至五之一相同。
[0033]七:本实施方式与二至六之一不同的是:步骤四中压力为12MPa。其它与具体实施 方式二至六之一相同。
[0034]八:本实施方式与二至七之一不同的是:步骤五中充入保护气体为氩气或氮气。其它与二至七之一相同。
[0035]九:本实施方式与二至八之一不同的是:步骤五中在温度为1450°C，压力为IOMPa的条件下烧结lh。其它与二至八之一相同。
[0036]通过以下试验验证本发明的有益效果:
[0037]试验一:本试验的一种BN-MAS陶瓷复合材料的制备方法是按以下步骤实现的:
[0038]一、称量:按质量百分比含量称取2.8%的MgO粉末、6.9%的Al2O3粉末、10.3%的非晶SiO2粉末和余量的六方氮化硼粉末；
[0039]二、球磨制浆:将步骤一称取的粉末置于容器中，加入介质乙醇，以200r/min的速率球磨24h，得到混合浆料；其中，所述介质与步骤一称取的粉末的质量比为5:1 ;
[0040]三、干燥制粉:将步骤二得到的混合浆料在温度为80°C下烘干0.5h，烘干后研碎，过200目筛后，得到混合粉料；
[0041]四、装模预压:将步骤三得到的混合粉料装入模具内，然后在压力为12MPa下进行预压成型；
[0042]五、烧结处理:将预压后装有粉体的模具置于烧结炉内，充入保护气体氮气，在温度为1450°C，压力为IOMPa的条件下烧结lh，得到BN-MAS陶瓷复合材料。
[0043]本试验制备的BN-MAS陶瓷复合材料的XRD图谱如图1中曲线I所示；其中，“☆”为六方氮化硼的衍射峰，“▼”为莫来石的衍射峰，从曲线I可以看出，在26.77° ,41.66°、43.71°和50.12°出现了六方氮化硼的衍射峰，在10.00°至24.80°出现了非晶相的衍射峰，说明六方氮化硼经过烧结后能够稳定存在，未与MAS相发生反应，两者化学相容性好；在此条件下MAS以非晶态形式存在。[0044]试验二:本试验的一种BN-MAS陶瓷复合材料的制备方法是按以下步骤实现的:
[0045]一、称量:按质量百分比含量称取4.2%的MgO粉末、10.4%的Al2O3粉末、15.4%的非晶SiO2粉末和余量的六方氮化硼粉末；
[0046]二、球磨制浆:将步骤一称取的粉末置于容器中，加入介质乙醇，以200r/min的速率球磨24h，得到混合浆料；其中，所述介质与步骤一称取的粉末的质量比为5:1 ;
[0047]三、干燥制粉:将步骤二得到的混合浆料在温度为80°C下烘干0.5h，烘干后研碎，过200目筛后，得到混合粉料；
[0048]四、装模预压:将步骤三得到的混合粉料装入模具内，然后在压力为12MPa下进行预压成型；
[0049]五、烧结处理:将预压后装有粉体的模具置于烧结炉内，充入保护气体氮气，在温度为1450°C，压力为IOMPa的条件下烧结lh，得到BN-MAS陶瓷复合材料。
[0050]本试验制备的BN-MAS陶瓷复合材料的XRD图谱如图1中曲线2所示；其中，“☆”为六方氮化硼的衍射峰，“▼”为莫来石的衍射峰，从曲线2可以看出，在26.77° ,41.66°、43.71°和50.12°出现了六方氮化硼的衍射峰，在10.00°至24.80°出现了 MAS的衍射峰，说明六方氮化硼经过烧结后能够稳定存在，未与MAS相发生反应，两者化学相容性好；在此条件下MAS以非晶态形式存在。
[0051]试验三:本试验的一种BN-MAS陶瓷复合材料的制备方法是按以下步骤实现的:
[0052]一、称量:按质量百分比含量称取5.5%的MgO粉末、13.9%的Al2O3粉末、20.6%的非晶SiO2粉末和余量的六方`氮化硼粉末；
[0053]二、球磨制浆:将步骤一称取的粉末置于容器中，加入介质乙醇，以200r/min的速率球磨24h，得到混合浆料；其中，所述介质与步骤一称取的粉末的质量比为5:1 ;
[0054]三、干燥制粉:将步骤二得到的混合浆料在温度为80°C下烘干0.5h，烘干后研碎，过200目筛后，得到混合粉料；
[0055]四、装模预压:将步骤三得到的混合粉料装入模具内，然后在压力为12MPa下进行预压成型；
[0056]五、烧结处理:将预压后装有粉体的模具置于烧结炉内，充入保护气体氮气，在温度为1450°C，压力为IOMPa的条件下烧结lh，得到BN-MAS陶瓷复合材料。
[0057]本试验制备的BN-MAS陶瓷复合材料的XRD图谱如图1中曲线3所示；其中，“☆”为六方氮化硼的衍射峰，“▼”为莫来石的衍射峰，从曲线3可以看出，在26.77° ,41.66°、
43.71。和50.12。出现了六方氮化硼的衍射峰，在16.41° ,26.20° ,33.10°和40.83°出现了莫来石的衍射峰并在10.00°至24.80°有非晶态衍射峰的存在，说明方氮化硼经过烧结后能够稳定存在，未与MAS相发生反应，两者化学相容性好；在此条件下MAS析出了莫来石相，同时存在着一定量的非晶相。
[0058]试验四:本试验的一种BN-MAS陶瓷复合材料的制备方法是按以下步骤实现的:
[0059]一、称量:按质量百分比含量称取6.9%的MgO粉末、17.5%的Al2O3粉末、25.6%的非晶SiO2粉末和余量的六方氮化硼粉末；
[0060]二、球磨制浆:将步骤一称取的粉末置于容器中，加入介质乙醇，以200r/min的速率球磨24h，得到混合浆料；其中，所述介质与步骤一称取的粉末的质量比为5:1 ;
[0061]三、干燥制粉:将步骤二得到的混合浆料在温度为80°C下烘干0.5h，烘干后研碎，过200目筛后，得到混合粉料；
[0062]四、装模预压:将步骤三得到的混合粉料装入模具内，然后在压力为12MPa下进行预压成型；
[0063]五、烧结处理:将预压后装有粉体的模具置于烧结炉内，充入保护气体氮气，在温度为1450°C，压力为IOMPa的条件下烧结lh，得到BN-MAS陶瓷复合材料。
[0064]本试验制备的BN-MAS陶瓷复合材料的XRD图谱如图1中曲线4所示；其中，“☆”为六方氮化硼的衍射峰，“▼”为莫来石的衍射峰，从曲线4可以看出，在26.77° ,41.66°、
43.71。和50.12。出现了六方氮化硼的衍射峰，在16.41° ,26.20° ,33.10°和40.83°出现了莫来石的衍射峰并在10.00°至24.80°有非晶态衍射峰的存在，说明方氮化硼经过烧结后能够稳定存在，未与MAS相发生反应，两者化学相容性好；在此条件下MAS析出了莫来石相，同时存在着一定量的非晶相。
[0065]经测试，本试验制备的BN-MAS陶瓷复合材料的致密度为99.4%，与现有BN陶瓷复合材料在1800°C、IOMPa条件下烧结致密度相当，但烧结温度降低了 350°C，烧结压力降低了 20MPa。在室温下用三点弯曲法测试得到的抗弯强度为213.2MPa±24.8MPa，弹性模量为73.5GPa±3.0GPa，用单边缺口梁法测试得到的断裂韧性为2.4MPa.m1/2±0.3MPa.m1/2，采用高Q腔法测试得到的介电常数达到5.81，介电损耗角正切值为6.57 X 10_3，达到比较好的介电性能。
[0066]试验五:本试验的一种BN-MAS陶瓷复合材料的制备方法是按以下步骤实现的:
[0067]一、称量:按质量百分比含量称取8.3%的MgO粉末、20.9%的Al2O3粉末、30.8%的非晶SiO2粉末和余量的六方氮化硼粉末；
[0068]二、球磨制浆:将步骤一称取的粉末置于容器中，加入介质乙醇，以200r/min的速率球磨24h，得到混合浆料；其中，所`述介质与步骤一称取的粉末的质量比为5:1 ;
[0069]三、干燥制粉:将步骤二得到的混合浆料在温度为80°C下烘干0.5h，烘干后研碎，过200目筛后，得到混合粉料；
[0070]四、装模预压:将步骤三得到的混合粉料装入模具内，然后在压力为12MPa下进行预压成型；
[0071]五、烧结处理:将预压后装有粉体的模具置于烧结炉内，充入保护气体氮气，在温度为1450°C，压力为IOMPa的条件下烧结lh，得到BN-MAS陶瓷复合材料。
[0072]本试验制备的BN-MAS陶瓷复合材料的XRD图谱如图1中曲线5所示；其中，“☆”为六方氮化硼的衍射峰，“▼”为莫来石的衍射峰，从曲线5可以看出，在26.77° ,41.66°、
43.71。和50.12。出现了六方氮化硼的衍射峰，在16.41° ,26.20° ,33.10°和40.83°出现了莫来石的衍射峰并在10.00°至24.80°有非晶态衍射峰的存在，说明方氮化硼经过烧结后能够稳定存在，未与MAS相发生反应，两者化学相容性好；在此条件下MAS析出了莫来石相，同时存在着一定量的非晶相。
[0073]试验六:本试验的一种BN-MAS陶瓷复合材料的制备方法是按以下步骤实现的:
[0074]一、称量:按质量百分比含量称取9.7%的MgO粉末、24.4%的Al2O3粉末、35.9%的非晶SiO2粉末和余量的六方氮化硼粉末；
[0075]二、球磨制浆:将步骤一称取的粉末置于容器中，加入介质乙醇，以200r/min的速率球磨24h，得到混合浆料；其中，所述介质与步骤一称取的粉末的质量比为5:1 ;[0076]三、干燥制粉:将步骤二得到的混合浆料在温度为80°C下烘干0.5h，烘干后研碎，过200目筛后，得到混合粉料；
[0077]四、装模预压:将步骤三得到的混合粉料装入模具内，然后在压力为12MPa下进行预压成型；
[0078]五、烧结处理:将预压后装有粉体的模具置于烧结炉内，充入保护气体氮气，在温度为1450°C，压力为IOMPa的条件下烧结lh，得到BN-MAS陶瓷复合材料。
[0079]本试验制备的BN-MAS陶瓷复合材料的XRD图谱如图1中曲线6所示；其中，“☆”为六方氮化硼的衍射峰，“▼”为莫来石的衍射峰，从曲线6可以看出，在26.77° ,41.66°、
43.71。和50.12。出现了六方氮化硼的衍射峰，在16.41° ,26.20° ,33.10°和40.83°出现了莫来石的衍射峰并在10.00°至24.80°有非晶态衍射峰的存在，说明方氮化硼经过烧结后能够稳定存在，未与MAS相发生反应，两者化学相容性好；在此条件下MAS析出了莫来石相，同时存在着一 定量的非晶相。