低介电高强度氮化硼纳米管/ 二氧化硅复合材料的可控制备及介电性能研究

In order to inherit the superior dielectric properties of SiO2 ceramic adequately, and to overcome the drawbacks of its poor mechanical and rain erosion properties, combined with the characteristics of Boron nitride nanotubes (BNNTs) they are introduced to fabricate BNNTs/SiO2 composites in the project. The purpose of the project is to investigate the influence of many factors, such as, addition amount, dispersion and sintering technology, on mechanical and dielectric properties of composites, and finally to achieve the controllable fabrication of BNNTs/SiO2 composites possessing low dielectric constant and high mechanical properties. In addition, via analyzing the variation of dielectric constant and dielectric losses in the scope of testing frequency, we will discuss the mode of dielectric losses of the composites in detail, and study the addition amount of BNNTs how to affect the mode. Finally, the microstructure and crystalline phases of the composites will be examined thoroughly by XRD, TEM, HRTEM and FESEM analysis, and the structure, formation and stability of interface will be also studied completely. By studying the project, we can clarify the inner link between BNNTs and SiO2, build the theory model of BNNTs improving mechanical and dielectric properties of SiO2 ceramic, and proclaim the mechanism of BNNTs how to influence the performances of SiO2 ceramic. In conclusion, the project will play a leading role in the theoretical significance and applied value of SiO2 composites.

为了充分发挥二氧化硅陶瓷优异的介电性能，克服其抗雨蚀性能、力学性能较差的缺点，本项目结合氮化硼纳米管的性能特点，烧结制备氮化硼纳米管/二氧化硅复合材料，探讨氮化硼纳米管的加入、分散、烧结工艺等对复合材料力学与介电性能的影响，实现低介电高强度氮化硼纳米管/ 二氧化硅复合材料的可控制备。通过分析在不同测试频率下材料的介电常数和介电损耗值，深入探讨氮化硼纳米管/二氧化硅复合材料在不同频段的介电损耗方式，研究氮化硼纳米管的加入对二氧化硅陶瓷介电损耗方式的影响，并利用XRD、TEM、HRTEM、F-SEM等技术观察分析材料的相组成与内部结构，深入研究界面结构、结合形式及其稳定性，阐明氮化硼纳米管与二氧化硅复合陶瓷性能之间的内在联系，建立氮化硼纳米管对二氧化硅基体补强增韧及介电性能影响的理论模型，揭示氮化硼纳米管对二氧化硅复合材料的作用机理，具有重要的理论和应用价值。

二氧化硅(SiO2)陶瓷是一种重要的工程材料，由于其具有的优秀的介电性能以及良好的化学稳定性，已经被广泛应用于例如导弹天线罩和卫星接收器等诸多重要的领域。但是其与生俱来的脆性却限制了其更为广泛的应用。因此制备一种不仅具有优秀的力学性能同时具有优异介电性能的SiO2复合陶瓷迄今为止还是一项非常具有挑战性的工作。本项目为了充分发挥二氧化硅陶瓷优异的介电性能，克服其力学性能、抗雨蚀性能较差的缺点，结合氮化硼纳米管的性能特点，以二氧化硅（SiO2）为初始原料，采用传统的机械球磨的方法，在乙醇等为分散介质的条件下，将氮化硼纳米管（BNNTs）等添加相与SiO2粉体混合均匀，采用热压烧结的工艺，在氩气(Ar)为保护气氛下，制备了BNNTs/ SiO2复合材料。研究了添加相的含量、烧结温度等参数对SiO2复合材料的力学性能和介电性能的影响，并借助于XRD，TEM和HRTEM 等分析测试技术对添加相的强韧化机理进行了讨论，分析了添加相和烧结温度对SiO2复合材料介电性能的影响机理，实现低介电高强度氮化硼纳米管/二氧化硅复合材料的可控制备，阐明氮化硼纳米管与二氧化硅复合陶瓷性能之间的内在联系，揭示氮化硼纳米管对二氧化硅复合材料的作用机理，具有重要的理论和应用价值。实验结果表明，当烧结温度为1400℃时，BNNTs的含量为5wt%时BNNTs/ SiO2复合材料的力学性能最为优异，复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别为120.5 MPa和1.21 MPa•m1/2，复合材料的介电性能随着烧结温度的变化发生了明显的变化，当烧结温度分别为1300℃，1350℃和1400℃时，在实验中所测试到的复合材料的介电常数分别为3.25，3.55和4.05，并且在测试频率范围内保持稳定。较强的界面结合、基体材料断裂方式的改变及增韧相的拔出、桥连与断裂现象是复合材料增强补韧的主要机理，而复合材料的组分、界面相、测试频率及相的结晶程度等都会影响复合材料的介电性能，为进一步研究与开发BNNTs增强陶瓷基复合材料提供了可靠的理论指导和依据，具有重要的理论和应用价值。