BNNTs的合成及其增强氮化硅基透波复合材料的制备及性能研究

作     者：刘海宽 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李斌

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：氮化硼纳米管 氮化硅 透波材料 化学气相沉积 天线罩 力学性能 介电性能 

摘      要：高马赫导弹及高超声速飞行器的出现对天线罩透波材料提出了新的要求。为保证导弹高速飞行、精确制导,高超声速导弹天线罩要求材料承载时间更长,承受温度更高,抗热震性能更好,并且透波性能更优异。氮化硅作为新型高温透波材料,具有优良的机械性能,耐高温性能和抗热震性能。然而氮化硅陶瓷密度较大,介电常数高。因此在制备过程中常制备成多孔材料或氮化硅基复合材料。由于氮化硅陶瓷的烧结温度较高,因此复合材料的增强体要求具有优异的耐高温性能和优良的力学性能。氮化硼纳米管(BNNTs)不仅具有低密度、高强度、高模量等优点,而且其耐高温、耐腐蚀以及抗氧化性能优良,适合作为高温透波材料的增强体材料。本文采用化学气相沉积的方法,以碳纳米管(CNTs)为模板制备了BNNTs。研究了工艺条件对BNNTs生长速率、结晶性以及形貌特征的影响。结果表明:在沉积温度为1300℃,沉积时间为30min,沉积区压力为1k Pa时,制备的BNNTs结晶性最好,生长速率也较快。同时采用模压成型常压烧结的方法制备了BNNTs/SiN复合材料并研究了烧结温度和加入BNNTs含量对BNNTs/SiN复合材料力学性能和断口形貌的影响。研究表明,烧结温度越高,氮化硅及其复合材料弯曲强度越高。烧结温度为1750℃,BNNTs含量为0.5wt.%时,BNNTs/SiN复合材料的弯曲强度和弹性模量可达231.8MPa,弹性模量为62.04GPa。当烧结温度为1700℃时,随着加入的BNNTs含量的增加,BNNTs/SiN复合材料的力学性能呈现先增加后减小的趋势,当BNNTs含量为0.7wt.%时,BNNTs/SiN复合材料的力学性能最好,弯曲强度和断裂韧性分别为180MPa和2.85 MPa·m1/2。研究了BNNTs/SiN复合材料的热物理性能和介电性能,烧结温度为1700℃时,制备的BNNTs/SiN复合材料热膨胀系数随温度的增加逐步增加,在温度为1000℃时,BNNTs/SiN复合材料的热膨胀系数为3.69×10K。测试表征了BNNTs/SiN复合材料的介电性能,介电常数及介电损耗角正切分别为4.25和3.3×10。