氮化硼纳米管大量制备、形成机理及其对氧化铝陶瓷的强韧化作用

氮化硼纳米管具有优异的力学性能、高的化学稳定性和高温抗氧化性能，有望成为高温复合材料强韧化领域新的关注点和突破点。针对目前氮化硼纳米管大量制备技术和应用研究的不足，基于我们的预研工作，本项目提出了一种以碳纳米管作模板，通过铵盐与碱金属硼氢化物在较低温度反应，大量制备氮化硼纳米管技术。研究反应物和碳纳米管的种类及配比、反应温度、时间对碳纳米管表面氮化硼包覆层厚度、致密程度和均匀性的影响；分析氮化硼包覆层的形成过程及其与碳纳米管之间的界面结合，阐明氮化硼纳米管的形成机理，以优化制备工艺，指导氮化硼纳米管直径和壁厚的预测，实现氮化硼纳米管的大量可控制备。进而烧结氮化硼纳米管与氧化铝的复合陶瓷，研究氮化硼纳米管的加入量、直径和壁厚、烧结工艺对复合陶瓷力学性能的影响规律，并与对应碳纳米管和氧化铝的复合陶瓷、包覆氮化硼碳纳米管和氧化铝的复合陶瓷进行比较，揭示氮化硼纳米管对氧化铝复合陶瓷的强韧化机理。

氮化硼纳米管具有优异的力学性能、高的化学稳定性和高温抗氧化性能，有望成为高温复合材料强韧化领域新的关注点和突破点。本项目针对目前氮化硼纳米管大量制备技术和应用研究的不足，提出了一种以碳纳米管作模板，通过铵盐与碱金属硼氢化物在较低温度反应，大量制备氮化硼纳米管的技术。探索了碳纳米管模板在氮化硼纳米管形成过程中的作用和界面结构，研究了反应物种类及其与碳纳米管的配比、反应温度、时间、压力等因素对氮化硼纳米管的形成过程的影响，分析了氮化硼纳米管的形成机理，实现了氮化硼纳米管的大量可控制备。通过自制氮化硼纳米管与氧化铝、氧化锆、氮化硅等材料进行复合，明显提高了复合陶瓷的力学性能，研究分析了氮化硼纳米管的加入量、烧结工艺对复合陶瓷力学性能的影响规律，探讨了氮化硼纳米管对氧化铝、氧化锆、氧化硅复合陶瓷的强韧化机理。在氧化铝中添加1.0 wt%氮化硼纳米管，断裂韧性达到6.4 MPa∙m1/2，相比于相同条件下烧结的纯氧化铝陶瓷提高了31 %；而添加2.0 wt%氮化硼纳米管时，弯曲强度达到523 MPa，提高了67 %。相比于纯氧化锆陶瓷，加入1.0 wt% 氮化硼纳米管的复合陶瓷弯曲强度从895.5 MPa提高到1143.3 MPa，断裂韧性从7.94 MPa•m1/2提高到13.13 MPa•m1/2。与相同条件下烧结的纯Si3N4陶瓷相比，加入1.5 wt% 氮化硼纳米管的氮化硅复合陶瓷，其弯曲强度达到838.9 MPa，提高了33 %。；当氮化硼纳米管添加量为0.5 wt%和1.5 wt%时，断裂韧性分别达到9.7和9.8 MPa•m1/2，提高近40 %。氮化硼纳米管增强增韧陶瓷的机制主要包括：裂纹偏转、氮化硼纳米管脱结合、桥联、拔出和断裂等，尤其包括晶粒桥联和氮化硼纳米管桥联的耦合以及氮化硼纳米管独特的断裂方式。这些研究工作为氮化硼纳米管在陶瓷材料中的应用提供了依据。