本發(fā)明屬于陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氮化硼纖維增強氮化物陶瓷基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
天線罩位于導(dǎo)彈頭部，它既是彈體的結(jié)構(gòu)件，又是無線電尋的制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，是一種集承載、導(dǎo)流、透波、防熱、耐蝕等多功能為一體的結(jié)構(gòu)/功能部件。隨著導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)的不斷提高，處于導(dǎo)彈氣動力和氣動熱最大最高位置的天線罩需承受的溫度和熱沖擊越來越高。因此，開發(fā)具有良好力學(xué)性能、優(yōu)異的抗燒蝕性能和抗熱震性能的耐超高溫材料是制約導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一，也是世界各國研究的熱點。熔石英(scfs)、氮化硼(bn)和氮化硅(si3n4)是制備天線罩最常用的三種材料，但是因其各自的缺點，單一的陶瓷材料很難制成綜合性能優(yōu)異的高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩，必須引入增強體或其他陶瓷，實現(xiàn)優(yōu)勢性能互補。
纖維增強陶瓷基復(fù)合材料具有韌性好、抗熱震性好、抗燒蝕性能優(yōu)異等特點，成為制備高馬赫導(dǎo)彈天線罩的最有前途的候選材料之一。目前能夠基本滿足要求并得到應(yīng)用的主要是sio2f/sio2透波復(fù)合材料。然而，石英纖維在超過800℃時，因析晶而使強度迅速下降，當(dāng)溫度超過1200℃時，由于晶粒長大而導(dǎo)致強度損失殆盡，限制了其更廣泛的應(yīng)用。bn纖維的抗氧化溫度比碳纖維和硼纖維還要高，可在900℃以下的氧化氣氛中長期使用，且在2000℃以內(nèi)的惰性氣氛中晶粒不會長大，強度也不會下降。bn纖維增強陶瓷基復(fù)合材料有望克服石英纖維增強復(fù)合材料的缺陷，獲得優(yōu)良的常溫和高溫力、熱、電綜合性能，以解決實際應(yīng)用對耐高溫、抗燒蝕、透波性能良好材料的需求。
目前，由于氮化硼纖維制備技術(shù)的復(fù)雜性限制了其工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，國內(nèi)只有極少數(shù)單位進行相關(guān)課題研究，而且?guī)缀醵际翘幱趯嶒炇姨剿麟A段，同時，由于氮化硼纖維特殊結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝所具有的區(qū)別與其他陶瓷纖維的一些特性，導(dǎo)致氮化硼纖維及氮化硼纖維增強陶瓷基復(fù)合材料制備和性能的研究報道少之又少，限制了氮化硼纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的之一是提供一種氮化硼纖維增強氮化物陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，該方法步驟簡單，便于工業(yè)化操作。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種氮化硼纖維增強氮化物陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，將氮化硼短纖維、氮化物粉體、燒結(jié)助劑粉體進行混合球磨，熱壓燒結(jié)即可。
優(yōu)選的：所述氮化硼短纖維的長徑比為15-35:1。
優(yōu)選的：所述氮化硼纖維加入量為所有粉體總質(zhì)量的3-20％。
優(yōu)選的：所述氮化物粉體為氮化硼粉、氮化硅粉或二者以任意比例的混合，更優(yōu)選：所述bn粉：si3n4粉＝0:1-1:0(進一步的優(yōu)選為：1:9-9:1)。
優(yōu)選的：所述球磨的混合物中還包括納米sio2粉，更優(yōu)選的：所述納米sio2粉加入量為所述氮化物粉體和燒結(jié)助劑粉體總質(zhì)量的3-12％。
優(yōu)選的：所述燒結(jié)助劑是氧化鋁、氧化釔等粉體或其組合，更優(yōu)選的：所述燒結(jié)助劑的加入量為所述氮化物粉體質(zhì)量的3-12％。
優(yōu)選的：所述球磨轉(zhuǎn)速150-300轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時間3-24小時。
優(yōu)選的：所述球磨的混合物中還包括乙醇。
優(yōu)選的：所述磨球材質(zhì)為氮化硅球，質(zhì)量比為所述球磨的混合物：磨球＝1:1.5-1:3、質(zhì)量比所述球磨的混合物：乙醇＝1:1-1:2.5。
優(yōu)選的：所述熱壓燒結(jié)的條件為：燒結(jié)溫度1650-1850℃，保溫0.5-3小時，壓力10-30mpa。
本發(fā)明的目的之二是保護由上述任一方法制備的得到的氮化物陶瓷基復(fù)合材料，該復(fù)合材料密度達到1.9-2.95g/cm3，拉伸強度＞50mpa，彎曲強度＞90mpa，線膨脹系數(shù)＜3.5×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)＜5.5，介電損耗(ku波段)＜8×10-3。
本發(fā)明的目的之三是保護由上述任一所述方法制備得到的氮化物陶瓷基復(fù)合材料在制備天線罩中的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的之四是保護一種天線罩，由上述任一所述方法制備得到的氮化物陶瓷基復(fù)合材料制備得到。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
(1)本發(fā)明的制備方法工藝簡單，適于工業(yè)化操作，對操作人員的技術(shù)水平要求低。
(2)由本發(fā)明的方法制備得到的復(fù)合材料具有以下特點：
<1>密度達到1.9-2.95g/cm3，拉伸強度＞50mpa，彎曲強度＞90mpa，線膨脹系數(shù)＜3.5×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)＜5.5，介電損耗(ku波段)＜8×10-3。
<2>用等離子射流燒蝕方法研究了復(fù)合材料的燒蝕性能，在2000℃、200s復(fù)合材料平均線燒蝕率＜0.02mm/s。
<3>進行了風(fēng)洞駐點燒蝕考核試驗，在最大熱流8.5mw/m2、最大熱焓12mj/kg、最高溫度2700℃、最長時間760秒考核條件下，復(fù)合材料線燒蝕速率為＜0.1mm/s。在相同考核狀態(tài)(熱流、熱焓、考核時間)下，本發(fā)明方法制備得到的復(fù)合材料線燒蝕量與碳纖維氈增強碳化硅復(fù)合材料線燒蝕率相當(dāng)，同時又具有良好的電學(xué)性能。
附圖說明
圖1本發(fā)明制備方法的工藝流程圖。
具體實施方式
為了更好的了解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1
如圖1所示，首先將氮化硼纖維剪切為長度為5mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比15；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝1:9、另加3％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化鋁，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的3％的納米sio2粉，乙醇分散，加入3％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：2.5，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:1.5、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨3小時，轉(zhuǎn)速170轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1650℃保溫0.5小時，壓力10mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度2.95g/cm3，拉伸強度106mpa，彎曲強度327mpa，線膨脹系數(shù)3.18×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)5.4，介電損耗(ku波段)8×10-3，平均線燒蝕率0.013mm/s(2000℃、200s)。
實施例2
首先將氮化硼纖維剪切為長度為6mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比17；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝1:5、另加7％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化釔，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的7％的納米sio2粉，乙醇分散，加入12％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：2.0，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:1、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨8小時，轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1700℃保溫2小時，壓力20mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度2.65g/cm3，拉伸強度93mpa，彎曲強度258mpa，線膨脹系數(shù)2.98×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)5.1，介電損耗(ku波段)6.8×10-3，平均線燒蝕率0.017mm/s(2000℃、200s)。
實施例3
首先將氮化硼纖維剪切為長度為7mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比20；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝1:1、另加3％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化鋁和氧化釔的混合物，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的12％的納米sio2粉，乙醇分散，加入20％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：1.8，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:1.3、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨3小時，轉(zhuǎn)速190轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1650℃保溫0.5小時，壓力10mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度1.90g/cm3，拉伸強度56mpa，彎曲強度102mpa，線膨脹系數(shù)3.23×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)5.2，介電損耗(ku波段)7.2×10-3，平均線燒蝕率0.02mm/s(2000℃、200s)。
實施例4
首先將氮化硼纖維剪切為長度為8mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比22；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝5:1、另加7％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化鋁，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的7％的納米sio2粉，乙醇分散，加入12％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：1.7，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:2.2、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨13小時，轉(zhuǎn)速210轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1800℃保溫3小時，壓力30mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度2.32g/cm3，拉伸強度73mpa，彎曲強度126mpa，線膨脹系數(shù)3.03×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)5.1，介電損耗(ku波段)6.2×10-3，平均線燒蝕率0.011mm/s(2000℃、200s)。
實施例5
首先將氮化硼纖維剪切為長度為9mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比25；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝9:1、另加3％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化釔，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的3％的納米sio2粉，乙醇分散，加入3％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：1.9，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:2.5、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨15小時，轉(zhuǎn)速230轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1850℃保溫3小時，壓力30mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度2.15g/cm3，拉伸強度87mpa，彎曲強度127mpa，線膨脹系數(shù)2.88×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)4.9，介電損耗(ku波段)5.8×10-3，平均線燒蝕率0.014mm/s(2000℃、200s)。
實施例6
首先將氮化硼纖維剪切為長度為9mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比28；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝1:2、另加5％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化鋁，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的5％的納米sio2粉，乙醇分散，加入3％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：2.1，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:2.7、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨18小時，轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1750℃保溫2小時，壓力15mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度2.51g/cm3，拉伸強度57mpa，彎曲強度139mpa，線膨脹系數(shù)3.15×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)5.5，介電損耗(ku波段)5.5×10-3，平均線燒蝕率0.009mm/s(2000℃、200s)。
實施例7
首先將氮化硼纖維剪切為長度為10mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比30；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝1:2、另加5％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化鋁與氧化釔的混合，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的5％的納米sio2粉，乙醇分散，加入7％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：2.1，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:2.9、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨20小時，轉(zhuǎn)速270轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1750℃保溫2小時，壓力15mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度2.42g/cm3，拉伸強度51mpa，彎曲強度98.9mpa，線膨脹系數(shù)2.76×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)5.3，介電損耗(ku波段)7×10-3，平均線燒蝕率0.005mm/s(2000℃、200s)。
實施例8
首先將氮化硼纖維剪切為長度為8mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比33；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝1:2、另加5％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化鋁，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的5％的納米sio2粉，乙醇分散，加入12％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：2.3，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:3.0、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨22小時，轉(zhuǎn)速270轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1750℃保溫2小時，壓力15mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度2.34g/cm3，拉伸強度53mpa，彎曲強度91mpa，線膨脹系數(shù)2.94×10-6(室溫～1200℃)；介電常數(shù)(ku波段)4.8，介電損耗(ku波段)5.6×10-3，平均線燒蝕率0.01mm/s(2000℃、200s)。
實施例9
首先將氮化硼纖維剪切為長度為8mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比35；
按各物質(zhì)比例稱量氮化物粉體，其中質(zhì)量比bn粉：si3n4粉＝1:2、另加5％氮化物粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化鋁，氮化物粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的5％的納米sio2粉，乙醇分散，加入7％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：2.5，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:2.5、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨24小時，轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1750℃保溫1.5小時，壓力20mpa。
制備得到的復(fù)合材料，密度2.69g/cm3，平均線燒蝕率0.08-0.1mm/s(最大熱流8.5mw/m2、最大熱焓12mj/kg、最高溫度2700℃、最長時間760秒)。
實施例10
首先將氮化硼纖維剪切為長度為8mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比25；
所用的氮化物粉體為bn粉體，另加3％bn粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化鋁，bn粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的3％的納米sio2粉，乙醇分散，加入3％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：2.5，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:1.5、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨3小時，轉(zhuǎn)速170轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1650℃保溫0.5小時，壓力10mpa。
實施例11
首先將氮化硼纖維剪切為長度為6mm的短纖維，然后選用快速磨進行球磨，控制球磨后纖維長徑比28；
所用的氮化物粉體為si3n4粉、另加7％si3n4粉體質(zhì)量的燒結(jié)助劑氧化釔，si3n4粉體和燒結(jié)助劑總質(zhì)量的7％的納米sio2粉，乙醇分散，加入12％所有粉體質(zhì)量的氮化硼短纖維，上述所有成分總質(zhì)量與乙醇的質(zhì)量比為1：2.0，磨球材質(zhì)為氮化硅球，上述所有成分總質(zhì)量與磨球的質(zhì)量比為1:1、將混合物放入球磨罐在滾動磨上球磨8小時，轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)/分鐘；
經(jīng)過混合球磨后的料漿放入干燥箱內(nèi)進行干燥，干燥后的粉料研缽研磨-過篩(30目)后備用；
處理后的粉料進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1700℃保溫2小時，壓力20mpa。
以上描述僅為本申請的較佳實施例以及對所運用技術(shù)原理的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本申請中所涉及的發(fā)明范圍，并不限于上述技術(shù)特征的特定組合而成的技術(shù)方案，同時也應(yīng)涵蓋在不脫離所述發(fā)明構(gòu)思的情況下，由上述技術(shù)特征或其等同特征進行任意組合而形成的其它技術(shù)方案。例如上述特征與本申請中公開的(但不限于)具有類似功能的技術(shù)特征進行互相替換而形成的技術(shù)方案。