氮化硼納米管的制備及其對氧化鋁和氮化硅陶瓷的強韌化作用.pdf

1、碳納米管(CNTs)具有獨特的物理、化學(xué)、電子學(xué)和力學(xué)性能，引起了世界各國的廣泛關(guān)注。大量的研究成果證明，CNTs是一種非常有前途的復(fù)合材料增強相。通過添加CNTs在高分子和陶瓷材料中，獲得了性能優(yōu)異的高分子基和陶瓷基復(fù)合材料。氮化硼納米管(BNNTs)是一種結(jié)構(gòu)同CNTs非常類似的一維納米材料，由六方氮化硼層卷曲而成。BNNTs具有與CNTs相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢屠鞆姸?，也被認為是一種很有前途的復(fù)合材料增強相。同時，BNNTs具有比CNT

2、s更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，抗氧化溫度高達900℃，更有希望作為高溫陶瓷材料的增強相。
　　 目前，制備BNNTs存在設(shè)備和工藝流程復(fù)雜、反應(yīng)溫度較高、催化劑污染、成本高等缺點，嚴重制約了BNNTs相關(guān)性能的探索及應(yīng)用。因此，發(fā)展大量制備BNNTs的技術(shù)迄今仍然是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。探索大量制備BNNTs的技術(shù)，簡化制備工藝過程，降低成本，具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價值。本文利用BNNTs與CNTs結(jié)構(gòu)的相似性，發(fā)展了一

3、種以CNTs作模板，大量制備BNNTs的方法，并對其合成機理進行研究。在此基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于Al2O3和Si3N4陶瓷中，通過對結(jié)構(gòu)和性能的表征，分析BNNTs作為增強相對于陶瓷材料的作用機理。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　 (1)對不同條件下（反應(yīng)物、反應(yīng)時間和溫度以及CNTs的添加量）合成的BNNTs進行研究，優(yōu)化了BNNTs的合成工藝。利用NaBH4與NH4Cl之間的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)溫度500-600℃，反應(yīng)時間10-18

4、h，制備出BN包覆的CNTs。獲得的產(chǎn)物經(jīng)過800℃空氣氣氛氧化處理，獲得純凈的BNNTs。該制備方法設(shè)備簡單、反應(yīng)溫度較低、避免了催化劑污染，并且在制備過程中CNTs不參與反應(yīng)，避免BxCyNz納米管的出現(xiàn)。
　　 (2)將BNNTs作為增強相，以微米γ-Al2O3為起始原料，通過熱壓燒結(jié)制備BNNTs/Al2O3復(fù)合材料，并對其常溫的力學(xué)性能和抗熱震性能進行了研究和報道。研究結(jié)果表明，BNNTs的加入細化了晶粒，并且產(chǎn)生了明

5、顯的補強增韌效果。在添加量為1.0 wt％時，斷裂韌性達到6.4 MPa·m1/2，相比純Al2O3陶瓷提高了31％;而當(dāng)添加量達到2.0 wt％時，彎曲強度達到523MPa，提高了67％。由于BNNTs的添加量較少，對熱傳導(dǎo)起到阻礙甚至抑制的作用，對于Al2O3陶瓷的抗熱震性改善不明顯。
　　 (3)將BNNTs作為增強相，以亞微米α-Al2O3為起始原料，通過熱壓燒結(jié)制備BNNTs/Al2O3復(fù)合材料，并且對該復(fù)合材料的相關(guān)

6、性能和界面結(jié)合進行了研究和報道。研究結(jié)果表明，添加SDS作為分散劑，提高了BNNTs的分散效果，同時BNNTs與Al2O3之間微量的化學(xué)反應(yīng)，提高了二者之間的結(jié)合，從而有效地提高了Al2O3陶瓷的常溫和高溫力學(xué)性能。添加1.5 wt％ BNNTs的樣品，室溫下彎曲強度和斷裂韌性分別為580.9 MPa和6.1 MPa·m1/2，提高了59％和21％;在室溫到700℃測試范圍內(nèi)，表現(xiàn)出比純Al2O3更高的彎曲強度。由于BNNTs的添加量有

7、限，對于Al2O3陶瓷的抗熱震性能改善甚微。
　　 (4)將BNNTs作為增強相，以亞微米Si3N4為起始原料，熱壓燒結(jié)制備BNNTs/Si3N4復(fù)合材料，并對其常溫下的相關(guān)性能進行了研究。研究結(jié)果表明，1700℃燒結(jié)的復(fù)合材料的彎曲強度明顯提高。與相同條件下制備的純Si3N4陶瓷相比，1.5 wt％ BNNTs/Si3N4復(fù)合材料的彎曲強度達到838.9 MPa，提高了33％。1750℃下燒結(jié)的復(fù)合材料，BNNTs的加入促進了

8、柱狀β-Si3N4的發(fā)育，提高了其長徑比，彎曲強度略有下降，斷裂韌性有較大幅度的提高。當(dāng)BNNTs的含量為0.5wt％和1.5 wt％時，斷裂韌性分別達到9.7和9.8 MPa·m1/2，提高近40％。
　　 (5) BNNTs在Al2O3和Si3N4陶瓷中產(chǎn)生了明顯的強韌化效果。BNNTs補強增韌Al2O3和Si3N4陶瓷的機制主要包括:裂紋的偏轉(zhuǎn)、BNNTs的脫結(jié)合、橋聯(lián)、拔出和斷裂等，尤其包括晶粒橋聯(lián)和BNNTs橋聯(lián)的耦合

9、以及BNNTs獨特的斷裂方式。由于BNNTs與Al2O3和Si3N4的熱失配造成基體承受一定的軸向拉應(yīng)力和徑向壓應(yīng)力。徑向壓應(yīng)力能夠提高界面結(jié)合，抑制裂紋擴展，是一種重要的強韌化手段。
　　 本論文得到國家自然科學(xué)基金(Nos.50972076、50872072、51042005)、山東省科技發(fā)展計劃(Nos.2011GGX10205、2009GG10003003)、山東大學(xué)自主創(chuàng)新基金(Nos.2009TS001、2012TS