本發(fā)明涉及電磁屏蔽材料，具體涉及一種輕質(zhì)、兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能的碳化硼/二硼化鈦基復(fù)相陶瓷及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的使用遍及日常生活、航空航天以及軍事領(lǐng)域的方方面面，電磁污染急劇增加。這些劇增的電磁輻射不僅危害人體健康，還將干擾其它電子設(shè)備的正常工作，導(dǎo)致其故障。為了避免電磁輻射危害，電磁屏蔽材料不可或缺。

2、傳統(tǒng)的電磁屏蔽材料主要是金屬，如不銹鋼、銅、銀等，然而它們通常易氧化、不耐腐蝕且具有高的比重和較差的耐磨性，使其應(yīng)用受限。最近新興的碳基、聚合物基電磁屏蔽材料盡管具有輕質(zhì)的特點(diǎn)，但是它們的高溫穩(wěn)定性差且機(jī)械性能不佳。在載荷承載、高溫電磁屏蔽以及持久性都被需要的應(yīng)用場(chǎng)景下，它們將不能滿足使用要求。

3、現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)：

4、1.金屬電磁屏蔽材料密度大、易氧化、耐腐蝕性和耐磨性差；

5、2.輕質(zhì)的碳基、聚合物基電磁屏蔽材料高溫穩(wěn)定性差且機(jī)械性能不佳。

6、因而，它們不能在載荷承載、高溫電磁屏蔽、輕質(zhì)以及持久性都被需要的應(yīng)用場(chǎng)景下使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明目的在于提出一種輕質(zhì)、兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能的碳化硼/二硼化鈦基復(fù)相陶瓷及其制備方法，致力于獲得一種輕質(zhì)、耐磨、耐腐蝕、高溫穩(wěn)定性好、機(jī)械性能優(yōu)良的電磁屏蔽材料，它兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能，以獲得滿足更多應(yīng)用場(chǎng)景需求的電磁屏蔽材料。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一方面，本發(fā)明提供一種輕質(zhì)、兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能的碳化硼/二硼化鈦基復(fù)相陶瓷，所述復(fù)相陶瓷以b4c和單相(tixm1-x)b2固溶體作為主要成分，其中m為cr、mo、ni、zr、mn、w、ta、hf、v、nb和sc中的任意一種，0.5≤x≤1。

4、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述復(fù)相陶瓷中b4c和(tixm1-x)b2的摩爾比為1:0.5～1:1.5。

5、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述復(fù)相陶瓷的密度為2.9～4.9g/cm3。

6、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述復(fù)相陶瓷的比硬度為8.7～13.5gpa·cm3·g-1，比強(qiáng)度為160～210mpa，比斷裂韌性為1.2～2.0mpa·m1/2·cm3·g-1。

7、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述復(fù)相陶瓷在室溫下，x波段總的電磁屏蔽效能超過(guò)40db,可以屏蔽99.99％以上的x波段電磁波；所述復(fù)相陶瓷在700℃高溫下，x波段總的電磁屏蔽效能超過(guò)30db，可以屏蔽99.9％以上的x波段電磁波。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述復(fù)相陶瓷中的b4c內(nèi)存在大量納米孿晶和堆垛層錯(cuò)，所述復(fù)相陶瓷中的(tixm1-x)b2內(nèi)存在晶格畸變和高密度位錯(cuò)。

9、另一方面，本發(fā)明提供一種所述的輕質(zhì)、兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能的碳化硼/二硼化鈦基復(fù)相陶瓷的制備方法，所述制備方法包括以下三種方法中的任意一種：

10、方法一：

11、步驟1.1、將市售的cr3c2、mo2c、ni3c、zrc、mn3c、wc、tac、hfc、vc和nbc粉體中的一種與tic粉體按照化學(xué)反應(yīng)方程式(1)進(jìn)行稱量、配料，加入有機(jī)溶劑、磨球，球磨混料一定時(shí)間后得到粉末漿料，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干和過(guò)篩得到混合均勻的粉體；

12、xtic+(1-x)mcy＝(tixm1-x)cx+y-xy???????(1)

13、步驟1.2、將步驟1.1得到的混合粉體通過(guò)干壓成型、真空焙燒得到(tixm1-x)cx+y-xy粉末塊體，將得到的粉末塊體破碎、研磨、過(guò)篩后得到(tixm1-x)cx+y-xy的粉體；

14、步驟1.3、將步驟1.2得到的(tixm1-x)cx+y-xy粉體與市售的b粉和b4c粉按照化學(xué)反應(yīng)方程式(2)進(jìn)行稱量、配料，加入有機(jī)溶劑、磨球，球磨混料一定時(shí)間后得到粉末漿料，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干和過(guò)篩得到混合均勻的粉體；

15、(tixm1-x)cx+y-xy+(2+4x+4y-4xy)b+zb4c＝(tixm1-x)b2+(x+y-xy+z)b4c????(2)

16、式(1)和式(2)中，0.5≤x≤1，y＝0.33、0.5、0.67或1，0.67≤x+y-xy+z≤2；

17、步驟1.4、將步驟1.3得到的混合粉體倒入石墨模具中或通過(guò)干壓、冷等靜壓成型后，在一定的溫度和壓力下對(duì)其進(jìn)行熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)或無(wú)壓燒結(jié)，從而得到輕質(zhì)、兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能的碳化硼/二硼化鈦基復(fù)相陶瓷；

18、方法二：

19、步驟2.1、將市售的crb2、mob2、zrb2、mnb2、wb2、tab2、hfb2、vb2、nbb2和scb2粉體中的一種與tib2粉體、b4c粉按照化學(xué)反應(yīng)方程式(3)進(jìn)行稱量、配料，加入有機(jī)溶劑、磨球，球磨混料一定時(shí)間后得到粉末漿料，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干和過(guò)篩得到混合均勻的粉體；

20、xtib2+(1-x)mb2+mb4c＝(tixm1-x)b2+mb4c???????(3)

21、式(3)中，0.5≤x≤1，0.67≤m≤2；

22、步驟2.2、將步驟2.1得到的混合粉體倒入石墨模具中或通過(guò)干壓、冷等靜壓成型后，在一定的溫度和壓力下對(duì)其進(jìn)行熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)或無(wú)壓燒結(jié)，從而得到輕質(zhì)、兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能的碳化硼/二硼化鈦基復(fù)相陶瓷；

23、方法三：

24、步驟3.1、將市售的cr2o3、mo2o3、nio、zro2、mno、wo3、ta2o5、hfo2、v2o5、nb2o5和sc2o3粉體中的一種與tio2粉體、b4c粉、碳粉或石墨粉按照化學(xué)反應(yīng)方程式(4)進(jìn)行稱量、配料；為了保證反應(yīng)完全，配料時(shí)b4c粉須適度過(guò)量，碳粉或石墨粉須適當(dāng)缺量；隨后，將所稱量的粉體、適量的有機(jī)溶劑和一定量的磨球放入球磨罐中，球磨混料一定時(shí)間后得到粉末漿料，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干和過(guò)篩得到混合均勻的粉體；

25、xtio2+(1-x)mop+(2x+p-px-0.5)c+(0.5+m)b4c＝(tixm1-x)b2+mb4c+(2x+p-px)co(4)

26、式(4)中，0.5≤x≤1，0.67≤m≤2，p＝1、1.5、2、2.5或3；

27、步驟3.2、將步驟3.1得到的混合粉體倒入石墨模具中，在一定的溫度和壓力下通過(guò)多步保溫對(duì)其進(jìn)行熱壓燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)，從而得到輕質(zhì)、兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能的碳化硼/二硼化鈦基復(fù)相陶瓷。

28、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟1.1、1.3、2.1和3.1中所有市售原料的純度≥99％，平均粒徑為0.1–10μm；所述步驟1.1、1.3、2.1和3.1中球磨混料時(shí)間為2–24h。

29、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟1.4和2.2中燒結(jié)溫度為1700–2100℃，燒結(jié)壓力為0–200mpa，保溫時(shí)間為10–120min，燒結(jié)環(huán)境條件為真空或氬氣氣氛，升溫速率為10–200℃/min；所述步驟2.2中真空焙燒溫度為1200–1900℃，焙燒時(shí)間為0.5–2h。

30、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟3.2中燒結(jié)制度如下：首先以10–200℃/min的升溫速率升溫到1500–1800℃，在該溫度保溫10–90min后，繼續(xù)以10–200℃/min的升溫速率升溫到1700–2100℃，同時(shí)燒結(jié)壓力勻速增加到30–200mpa，隨后在該溫度和壓力條件下保持10–120min，最后隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)環(huán)境條件為真空或氬氣氣氛。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)獨(dú)特的成分設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，制備出的碳化硼/二硼化鈦基復(fù)相陶瓷在輕質(zhì)、電磁屏蔽性能、高溫穩(wěn)定性、機(jī)械性能以及性能調(diào)控等方面展現(xiàn)出顯著的有益效果，能夠滿足多種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的需求。具體如下：

32、1.本發(fā)明復(fù)相陶瓷密度為2.9～4.9g/cm3，相較于傳統(tǒng)金屬電磁屏蔽材料，如不銹鋼、銅、銀等，密度大幅降低。傳統(tǒng)金屬材料因密度大，在對(duì)重量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天領(lǐng)域使用受限。而本發(fā)明的輕質(zhì)特點(diǎn)使其在這些領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用潛力，可有效減輕設(shè)備重量，提高能源利用效率。

33、2.在室溫x波段，總的電磁屏蔽效能超過(guò)40db，可屏蔽99.99％以上的x波段電磁波；在高溫(700℃)，x波段總的電磁屏蔽效能超過(guò)30db，能屏蔽99.9％以上的x波段電磁波。與新興的碳基、聚合物基電磁屏蔽材料相比，本發(fā)明的復(fù)相陶瓷高溫電磁屏蔽性能優(yōu)勢(shì)明顯。碳基、聚合物基材料高溫穩(wěn)定性差，在高溫環(huán)境下電磁屏蔽性能會(huì)大幅下降，無(wú)法滿足如航空航天、軍事等高溫環(huán)境下的電磁屏蔽需求，而本發(fā)明的材料能有效解決這一問(wèn)題。

34、3.在700℃的高溫環(huán)境下，依然能保持較高的電磁屏蔽效能，說(shuō)明其高溫穩(wěn)定性良好。這得益于復(fù)相陶瓷中b4c和(tixm1-x)b2的特殊結(jié)構(gòu)和成分。傳統(tǒng)金屬電磁屏蔽材料在高溫下易氧化，導(dǎo)致性能下降，而本發(fā)明的材料克服了這一缺點(diǎn)，拓寬了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用范圍。

35、4.具有高的比硬度(8.7～13.5gpa·cm3·g-1)、比強(qiáng)度(160～210mpa·cm3·g-1)和比斷裂韌性(1.2～2.0mpa·m1/2·cm3·g-1)。與碳基、聚合物基電磁屏蔽材料機(jī)械性能不佳的情況不同，本發(fā)明的復(fù)相陶瓷能夠承受較大的載荷，在需要承受一定壓力、沖擊力的應(yīng)用場(chǎng)景中，如航空航天設(shè)備的結(jié)構(gòu)部件，不僅可以起到電磁屏蔽的作用，還能承擔(dān)載荷，提高設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性。

36、5.僅僅通過(guò)調(diào)整復(fù)相陶瓷中二硼化鈦基固溶體的含量、元素種類(lèi)和比例，即可獲得輕質(zhì)、電磁屏蔽和力學(xué)性能優(yōu)異、兼具高溫電磁屏蔽和載荷承載功能的多功能陶瓷材料，并且可以調(diào)控其電磁屏蔽的主導(dǎo)機(jī)制(吸收主導(dǎo)或反射主導(dǎo))。這種性能的可調(diào)控性使得材料能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行定制，極大地提高了材料的適用性，為其在多種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了可能。