氮化硅短纖維多孔材料制備與性能研究

宋雪峰 王樹(shù)浩 李楊柱 張大海 周 軍

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 火箭軍駐首都航天機(jī)械有限公司軍事代表室，北京 100076）

0 引言

氮化硅材料具有高強(qiáng)度、高模量、耐磨性?xún)?yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)具有良好的熱穩(wěn)定性、高耐沖蝕、低介電常數(shù)和介電損耗等熱學(xué)和介電性能，是一種綜合性能優(yōu)良的耐高溫透波材料［1-4］，這些特點(diǎn)使其在運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、飛船、衛(wèi)星等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［5-6］。但是氮化硅材料在工程應(yīng)用時(shí)受到脆性大、可靠性差等陶瓷本征特點(diǎn)的極大制約［7-10］，尤其是對(duì)于高氣孔率氮化硅陶瓷材料，不僅可靠性較差，而且制備難度很大，一般的氣孔率都在60%以下，很難得到氣孔率更高的氮化硅材料。

短纖維多孔材料具有超高氣孔率、可靠性高、工程放大難度較低等突出優(yōu)點(diǎn)［11］，該材料中短纖維彼此連接形成連續(xù)空間網(wǎng)狀相骨架結(jié)構(gòu)，微裂紋在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中偏轉(zhuǎn)擴(kuò)展會(huì)吸收大量能量，從而避免了陶瓷材料的脆性問(wèn)題。氮化硅纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐化學(xué)腐蝕、耐熱沖擊性等性能［12］，可在1 500 ℃高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用，不僅可作為增強(qiáng)體與多種陶瓷基體復(fù)合［13］，也可作為高性能短纖維多孔材料的增強(qiáng)體。目前，關(guān)于短纖維多孔材料的研究主要集中在增強(qiáng)體為石英、硼硅酸鋁、莫來(lái)石和氧化鋁等纖維的研究［14-17］，氮化硅短纖維多孔材料方向的研究尚未有公開(kāi)的報(bào)道。

本文采用氮化硅短纖維作為增強(qiáng)體，并針對(duì)該纖維特點(diǎn)改進(jìn)工藝制備氮化硅纖維多孔材料，使氮化硅纖維彼此間連接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擬得到高氣孔率、高可靠性陶瓷基復(fù)合材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

表1為氮化硅纖維的化學(xué)組成，纖維直徑約13 μm。氮化硼由上海水田材料科技有限公司生產(chǎn)，粒徑在0.5～0.8 μm，純度≥99.9%。

表1 氮化硅纖維化學(xué)成分Tab.1 The chemical compositions of silicon nitride fiber wt%

1.2 材料制備

將氮化硅纖維切斷成一定長(zhǎng)度的氮化硅短纖維，在去離子水中超聲攪拌處理，使氮化硅短纖維充分分散，隨后加入一定含量的氮化硼制成漿料；然后將漿料通過(guò)抽濾成型，并按照設(shè)定的厚度進(jìn)行壓制成型，通過(guò)控制厚度得到不同密度的毛坯，將成型后的濕毛坯在烘箱中烘干后并在1 200 ℃處理1 h，得到不同密度的氮化硅短纖維多孔材料。將制得的氮化硅短纖維材料加工并測(cè)試性能。

1.3 性能測(cè)試

采用Apollo300型掃描電子顯微鏡（SEM）及電子能譜（EDS）對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；采用CMT-5205 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的壓縮性能，試樣尺寸為5 mm×5 mm×3 mm；采用美國(guó)METTLER 公司生產(chǎn)的DSC差示掃描量熱分析儀測(cè)試樣品的熱重（TG）曲線，測(cè)溫范圍從室溫到1 400 ℃，升溫速率10 ℃/min；采用德國(guó)Bruker 公司生產(chǎn)的Tensor27 型傅里葉紅外光譜儀測(cè)試樣品的紅外光譜，掃描范圍為500～4 000 cm-1；采用高Q 腔法測(cè)試樣品的介電常數(shù)，測(cè)試頻率9.4 GHz。

2 結(jié)果及分析

2.1 氮化硅纖維和氮化硼氧化過(guò)程分析

為確定材料的燒結(jié)溫度，在空氣氣氛中對(duì)氮化硅纖維和氮化硼進(jìn)行了熱重分析。如圖1（a）所示，氮化硅纖維從室溫到800 ℃出現(xiàn)0.4%的失重，這是由于纖維表面浸潤(rùn)劑中的有機(jī)物分解揮發(fā)產(chǎn)生的失重；從1 000 ℃以后纖維開(kāi)始出現(xiàn)增重現(xiàn)象，尤其在1 200 ℃左右開(kāi)始出現(xiàn)明顯增重，這是因?yàn)榈枥w維與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化硅。圖1（b）中的氮化硼熱重曲線表明氮化硼在1 000 ℃之后出現(xiàn)明顯增重，在約1 200 ℃時(shí)增重最大達(dá)到20%，氮化硼完全氧化生成氧化硼的理論增重為40.3%，因此氮化硼在空氣中并沒(méi)有完全氧化成氧化硼，這是因?yàn)樯傻难趸馂橐后w熔融狀態(tài)，包覆在氮化硼的表面阻止了氮化硼與氧氣的進(jìn)一步接觸；溫度從1 200 ℃到1 400 ℃出現(xiàn)嚴(yán)重的失重現(xiàn)象，是因?yàn)橐簯B(tài)的氧化硼在高溫下?lián)]發(fā)所致。

圖1 樣品熱重曲線Fig.1 The TG curve of samples

圖2（a）表明氮化硅纖維分別在1 000、1 200、1 400 ℃處理1 h 時(shí)纖維并沒(méi)有出現(xiàn)析晶，圖2（b）表明纖維從1 200 ℃后開(kāi)始出現(xiàn)方石英峰，進(jìn)一步說(shuō)明氮化硅纖維在高溫時(shí)表面產(chǎn)生氧化硅，并且處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)方石英。圖2（c）表明從500 ℃浸潤(rùn)劑揮發(fā)分解后到1 300 ℃處理后纖維的拉伸強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；1 400 ℃處理后的拉伸強(qiáng)度為原來(lái)的53.09%，氮化硅纖維力學(xué)性能出現(xiàn)嚴(yán)重下降。為確保不損傷氮化硅纖維性能前提下，結(jié)合氮化硅纖維和氮化硼氧化溫度，選擇1 200 ℃保溫1 h 熱處理制備氮化硅短纖維多孔材料。

圖2 氮化硅纖維XRD和拉伸強(qiáng)度Fig.2 XRD and tensile strength of the silicon nitride fiber

2.2 氮化硼含量對(duì)纖維粘接影響

氮化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、1%和2%的三種樣品（1#、2#和3#）掃描圖片見(jiàn)圖3。1#樣品的纖維不粘結(jié)，2#樣品的纖維部分粘結(jié)，3#樣品的纖維有效粘結(jié)起來(lái)。

圖3 不同氮化硼含量樣品Fig.3 The samples with different boron nitride contents

纖維粘結(jié)點(diǎn)能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖4?？煽闯隼w維粘結(jié)點(diǎn)處主要成分為Si和O元素，其中Si和O的原子分?jǐn)?shù)分別為47.7%和52.3%。由于能譜局限性并沒(méi)有得到B元素，為了測(cè)試分析B元素，參見(jiàn)幾種纖維的紅外光譜分析結(jié)果（圖5）。通過(guò)樣品測(cè)試對(duì)比，在波數(shù)1 020 cm-1時(shí)出現(xiàn)Si—O—Si的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰；786 cm-1時(shí)出現(xiàn)O—Si—O伸縮振動(dòng)峰；1 385 cm-1位置出現(xiàn)［BO3］基團(tuán)的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)；900 cm-1出現(xiàn)［BO4］彎曲振動(dòng)峰，655 cm-1出現(xiàn)有［BO4］/［BO3］比值為1/4的五硼酸鹽基團(tuán)的彎曲振動(dòng)。紅外光譜說(shuō)明樣品3#有SiO2和硅硼酸鹽的產(chǎn)生。

圖4 粘結(jié)點(diǎn)的能譜Fig.4 Energy spectrum of the bonding points

圖5 紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrogram

2.3 短纖維等效密度對(duì)粘結(jié)結(jié)構(gòu)及介電性能的影響

短纖維等效密度（不計(jì)算氮化硼質(zhì)量，只采用短纖維質(zhì)量計(jì)算出的密度）是氮化硅短纖維多孔材料的纖維骨架的密度表征，氮化硼含量不高時(shí)，短纖維等效密度決定樣品的力學(xué)性能，區(qū)分氮化硼含量過(guò)高對(duì)樣品密度的影響。

采用2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氮化硼制備出不同短纖維等效密度的樣品見(jiàn)表2，燒結(jié)溫度1 200 ℃。

樣品掃描電鏡觀察結(jié)果見(jiàn)圖6?？煽闯鲭S著樣品短纖維等效密度增加，相同面積內(nèi)纖維數(shù)量增加，纖維間有效粘結(jié)點(diǎn)增多，纖維間孔隙呈減小趨勢(shì)。隨著短纖維等效密度增加，纖維平均長(zhǎng)度減小，這是由于在制得高密度濕坯時(shí)，纖維間彼此靠近，纖維碰撞的概率增加，氮化硅纖維耐剪切力差導(dǎo)致部分纖維在壓力作用下發(fā)生斷裂。

表2 樣品密度對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Relation of sample densites g/cm3

圖6 不同密度樣品顯微形貌照片F(xiàn)ig.6 The morphologies of the samples with different densities

不同等效密度的樣品介電性能見(jiàn)表3?？煽闯鲭S著樣品密度增大，ε 和tanδ 逐漸增大。ε∈（1.36，1.62），tanδ＜10-3，該材料滿(mǎn)足低介電低損耗的介電性能要求。

表3 不同密度樣品的介電性能（頻點(diǎn)9.4 GHz）Tab.3 Dielectric properties of different sample densities（frequency point 9.4 GHz）

2.4 短纖維等效密度對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響

不同密度樣品常溫下的壓縮強(qiáng)度見(jiàn)表4。

表4 不同氮化硼含量的壓縮強(qiáng)度Tab.4 Compression strength of samples with different boron nitride contents

可以看出，密度從0.27 增加到0.36 g/cm3，10%壓縮應(yīng)變下的壓縮強(qiáng)度從0.58 增加到1.05 MPa，提高了81%。當(dāng)密度增加到0.46 g/cm3，壓縮強(qiáng)度增加到2.03 MPa，6#比5#提高了93%。20%和30%應(yīng)變下變化規(guī)律相似。這表明隨著纖維等效密度增加，纖維有效粘結(jié)點(diǎn)增多，纖維間承載力的作用明顯提升。應(yīng)變即使到30%，出現(xiàn)了裂紋，載荷仍在上升，說(shuō)明具有很高的承載壓力。氮化硅短纖維多孔材料壓縮載荷下應(yīng)變很大，與致密陶瓷斷裂模式完全不同，壓縮試驗(yàn)后并未出現(xiàn)明顯回彈，說(shuō)明該材料具有一定的塑性。

3 結(jié)論

以氮化硼為燒結(jié)助劑制備出高氣孔率氮化硅短纖維多孔材料，不同氮化硼含量和不同密度下材料的微觀結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能如下：

（1）在1 200 ℃空氣氣氛中氮化硅纖維表面開(kāi)始出現(xiàn)明顯氧化，氮化硼在1 000 ℃出現(xiàn)明顯氧化，在1 200 ℃的氧化增重約為20%；

（2）隨著氮化硼含量增多，氮化硅纖維的有效粘結(jié)點(diǎn)增多，當(dāng)?shù)鹳|(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，短纖維之間被有效連接，粘結(jié)點(diǎn)主要成分為硅硼酸鹽；

（3）隨著樣品等效密度增大，纖維有效連接點(diǎn)增多，當(dāng)?shù)刃芏冗^(guò)大時(shí)（0.46 g/cm3），纖維出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；當(dāng)?shù)刃芏葟?.27 增加到0.46 g/cm3，材料ε從1.36 增加到1.62，tanδ 從7.8×10-4增加到9.5×10-4，材料10%壓縮應(yīng)變下的壓縮強(qiáng)度從0.58 提升到2.03 MPa。