SiO2復(fù)合陶瓷的制備及其相關(guān)性能研究.pdf

1、二氧化硅(SiO2)陶瓷是一種重要的工程材料，由于其具有的優(yōu)秀的介電性能以及良好的化學穩(wěn)定性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于例如導彈天線罩和衛(wèi)星接收器等諸多重要的領(lǐng)域。但是其與生俱來的脆性卻限制了其更為廣泛的應(yīng)用。因此制備一種不僅具有優(yōu)秀的力學性能同時具有優(yōu)異介電性能的SiO2復(fù)合陶瓷迄今為止還是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作。
　　 本文以微米級和納米級的SiO2為初始原料，采用傳統(tǒng)的機械球磨的方法，在乙醇為分散介質(zhì)的條件下，將添加相與SiO2粉

2、體混合均勻，采用熱壓燒結(jié)的工藝，在氬氣（Ar）為保護氣氛下，制各了SiO2-Al2O3-BNNPs(S-A-BNNPs)，SiO2-Al2O3-BNNTs(S-A-BNNTs)，SiO2-BNNPs和SiO2-BNNTs四種不同材料體系的SiO2陶瓷復(fù)合材料。并研究了添加相的含量，燒結(jié)溫度等參數(shù)對復(fù)合陶瓷的力學性能和介電性能的影響，并借助于XRD，F(xiàn)ESEM和HRTEM等分析測試技術(shù)對添加相的強韌化機理進行了討論，最后簡單的分析了添加相

3、和燒結(jié)溫度對SiO2復(fù)合陶瓷介電性能的影響機理。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　 (1)S-A-BNNTs材料體系。采用10wt％Al2O3和5wt％BNNTs作為添加相在燒結(jié)溫度為1350℃下，成功制備了具有優(yōu)異的力學性能的SiO2復(fù)合陶瓷。使SiO2陶瓷的彎曲強度和斷裂韌性分別從27.3MPa和0.58MPa·m1/2增加到103.5MPa和1.39MPa·m1/2，相比于純SiO2陶瓷分別增加了379.1％和239.7％。借

4、助于物相分析和微觀結(jié)構(gòu)分析，SiO2力學性能改善的原因歸因于以下幾點:①在SiO2基體中添加了具有優(yōu)異力學性能的Al2O3材料，使SiO2的力學性能得到改善。②SiO2，Al2O3和BN材料是一種典型的玻璃體系，擴散層的存在使復(fù)合材料的界面結(jié)合強度升高，改善了SiO2基體的力學性能。③Al2O3的阻止裂紋傳播的作用，以及BNNTs在裂紋傳播時所形成的拔出和橋連結(jié)構(gòu)，使SiO2基體的斷裂韌性得到了明顯的改善。
　　 (2)S-A-

5、BNNPs材料體系。采用與S-A-BNNTs材料體系相同的制備工藝，制備出的SiO2復(fù)合陶瓷同樣具有優(yōu)異的力學性能。使S-A-BNNPs復(fù)合陶瓷的彎曲強度達到了86.3MPa，是純SiO2陶瓷的316％，斷裂韌性達到了1.23MPa·m1/2，是純SiO2陶瓷的212％。在此材料體系中，Al2O3的作用與其在S-A-BNNTs的作用是一致的。另外，我們將BNNPs對復(fù)合陶瓷的力學性能的改善歸因于BNNPs典型的片層狀結(jié)構(gòu)使裂紋在傳播過程

6、中發(fā)生了偏轉(zhuǎn)和終止，從而使SiO2基體的力學性能得到了提高。
　　 (3)SiO2-BNNPs材料體系。在前面介紹的S-A-BNNTs和S-A-BNNPs兩個材料體系中，由于采用了介電常數(shù)較大的Al2O3材料作為添加相，不可避免地會破壞SiO2基體優(yōu)異的介電性能。在本章中我們將Al2O3去除而只將與SiO2同樣具有優(yōu)異介電性能的BNNPs單獨加入基體中，成功的制備了低介電高強度的SiO2復(fù)合陶瓷。當BNNPs為5wt％時，SiO

7、2-BNNPs復(fù)合陶瓷的斷裂韌性為1.22MPa·m1/2，相比于純SiO2陶瓷提高了217％。當BNNPs為7wt％時，復(fù)合陶瓷的彎曲強度達到了117MPa，提高了230％。當BNNPs的含量為5wt％時，復(fù)合陶瓷的介電常數(shù)為4.1。
　　 (4)SiO2-BNNTs材料體系。為了制備低介電高強度的SiO2復(fù)合陶瓷，在本掌中將BNNTs作為添加相，以SiO2材料為基體，運用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了SiO2-BNNTs復(fù)合陶瓷，并借助

8、于物相和微觀結(jié)構(gòu)分析測試技術(shù)對其力學性能和介電性能進行了分析。實驗結(jié)果表明，當燒結(jié)溫度為1400℃時，復(fù)合陶瓷的力學性能最為優(yōu)異，彎曲強度和斷裂韌性分別達到了120.5MPa和1.21MPa·m1/2。當BNNTs含量為5wt％時，SiO2-BNNTs的介電性能隨著燒結(jié)溫度的變化發(fā)生了明顯的變化，當燒結(jié)溫度分別為1300℃，1350℃和1400℃時，在實驗中所測試到的復(fù)合陶瓷的介電常數(shù)分別為3.25，3.55和4.05，并且在測試頻率范

9、圍內(nèi)保持穩(wěn)定。
　　 本論文采用不同的熱壓燒結(jié)工藝，在不同的制備條件下制備出了具有高強度、高韌性、低介電的SiO2復(fù)合陶瓷，并借助于XRD，F(xiàn)ESEM和HRTEM等分析測試技術(shù)對其微觀結(jié)構(gòu)和改善機制進行了分析。
　　 本論文得到了國家自然基金(50872072、51042005)、山東省科技發(fā)展計劃項目(2011GGX10205、2009GG10003003)和山東大學自主創(chuàng)新基金項目(2009TS001、2012TS2