贾德昌：苛刻环境用多功能氮化硼基复相陶瓷及其应用技术

nianzhonghui

拟提名国家技术发明二等奖项目 公示材料
项目名称：苛刻环境用多功能氮化硼基复相陶瓷及其应用技术提名单位：中国建筑材料联合会项目简介：该项目属于无机非金属材料领域，涉及航天、国防、冶金和高端装备制造等领域所亟需多功能防热/耐热等关键部件。这类部件要经受高温超高温、剧烈热震、强烈烧蚀、高温高速离子溅射侵蚀等多重耦合作用，服役条件异常苛刻，而天线罩/窗还需具有良好的高温介电透波功能特性。六方 BN 陶瓷因具有耐热、低介电、与熔融金属不润湿等特性而有良好应用前景。但传统 BN 陶瓷力学性能低、易吸潮、不耐氧化、不耐烧蚀，难以满足上述领域急需，严重制约了我国重点型号与核心装备研发，国外一直进行技术封锁或产品垄断。历经十余年攻关，在新型 BN 基陶瓷成分设计、复合相晶型与状态调控、烧结与成型工艺优化及其在关键多功能防热/耐热等核心部件工程应用关键技术等方面取得多项创造性突破。


主要发明点如下：
（1）发现并揭示了BN、Sialon与熔石英“互稳互补”作用与机制，攻克了熔石英易晶化、偏聚等难关，发明了 Sialon/BN-SiO2 系陶瓷，突破了力学、抗热震、耐烧蚀、耐高温离子溅射和二次电子发射特性等协调难题，1500℃其抗弯强度仍达 272 MPa，液氧-煤油发动机 7 MW/m2 热流下线烧蚀率仅为 0.0004 mm/s。
（2）利用固相反应或 Sol-gel 法引入MAS相，突破了其在 BN中均布及 MAS相晶化抑制与晶相调控、低温低压烧结等技术瓶颈，发明了 BN-MAS 系陶瓷，使烧结温度降低 300~400℃，攻克了防热/承载/微波或伽马射线透过等性能协调难关，1200℃温差热震后强度不降低，仍达 266 MPa，伽马射线吸收系数为 0.275(80keV)。
（3）揭示了 BN 基陶瓷钢水侵蚀机理，发明了 BN-ZrO2-SiC 系陶瓷及其低温过渡塑性相辅助烧结工艺，攻克了 ZrO2 相变抑制、残余应力控制、低熔点相消除等技术难关，实现力学、抗热震、耐钢液侵蚀、耐磨减摩、尺寸稳定、防吸潮等性能协同提高，综合性能优于德国 ESK 公司产品，强度、韧性分别提高 65%和 90%，磨损率下降 43%。


以张立同院士为组长包括吴以成等多位院士的专家组鉴定认为，项目成果整体技术达国际先进水平，其中用于霍尔电推力器喷管和天线罩的 Sialon/BN-SiO2 材料、薄带钢连铸侧封板的 BN-ZrO2-SiC 材料、天线窗盖板和石油水下多相流量计透射线密封罩的 BN-MAS 材料，性能指标达国际领先水平。


项目发表 SCI 和 EI 收录论文 39 篇和 36 篇，申报国家发明专利 18 项，已授权 13 项，发明多个体系 BN 基复相陶瓷，研制出 9 类 18 种 350 余件/套产品/样件，多


客观评价：
[1] 航天科技集团第五研究院第 502 研究所评价：“BN 基复合陶瓷是霍尔推力器和磁等离子体推力器关键材料之一，该材料的研制对我所霍尔推力器和磁等离子体推力器的研制提供了重要技术支撑和材料保障。”


[2] 航天科技集团第一研究院配套弹头系列型号办公室评价：“氮化硼基复合陶瓷材料…… 满足型号性能要求，在中远程导弹雷达罩、天线窗盖板等上具有良好的应用前景。”


[3] 东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室评价：“哈尔滨工业大学研发的氮化硼基复合陶瓷侧封板，性能指标达到国际同类产品的水平，……，在钢铁薄带连铸生产线上有着广泛的应用前景，对推动我国薄带连铸技术的发展和提升特种耐火材料升级换代具有重要的意义。”


[4] 海默科技（集团）股份有限公司评价：“该系列 BN 基陶瓷材料及构件的研制成功为我国设计开发能适用于 1500m 水深的多相流量计软硬件系统，实现水下多相流量计国产化提供了重要技术支撑，成功突破国外技术封锁和市场垄断，具有重要的经济和社会意义。”


[5] 航天科技集团试验物理与计算数学重点实验室评价：“在多家单位提供的 21 种不同基体材料中，哈尔滨工业大学研制的多孔氮化硼基陶瓷材料综合性能最优，满足项目技术要求，被列为优选方案，为预研和后续型号的研制和验证提供了核心材料支撑。”


应用情况：研制出 9 类 18 种 350 余件/套产品或部件，多种获得成功应用或通过台架试验考核。


[1] 多种型号霍尔推进器用喷管，其抗热震性、耐离子溅射、二次电子发射特性优异，多年来在地面模拟实验舱服役合计 5000 余小时。已交付各类喷管产品 30 套，其中 HEP100MF 型磁聚焦霍尔推力器喷管已通过“实践十七号”卫星在轨性能标定，单次 8 小时连续点火、20 次开关机试验、50 小时在轨点火等工况考核，表明该推力器产品比冲较国际上同功率霍尔电推力器高出近 20%，性能指标达到该类推力器的最高水平。氮化硼基复相陶瓷喷管的成果支撑了国际首次磁聚焦霍尔推进系统和国内首次高轨道电推进系统的在轨验证，入选 “中国高校十大科技进展”和 “中国十大航天新闻”。


[2] 防热/透波/承载一体化天线窗盖板样件顺利通过液氧-煤油发动机、电弧加热器台架试验考核，高温透波率在约 1500oC 时衰减幅度小于 5%，较 2.5D 石英复合材料有显著提升；防/隔热/透波一体化天线窗组件参加了军品 863 成果展；攻克了薄壁天线罩近尺寸热压烧结成型技术难关，研制的某型天线罩样件成功通过液氧-煤油发动机热结构考核，成果填补了国内外空白。


[3] 研制的薄带连铸用熔融金属侧封板，通过东北大学“轧制技术及连轧自动化国家重点实验室”试验线考核，抗热震、耐熔融金属侵蚀，耐摩擦磨损性能满足使用要求，力学和耐磨损性能指标全面超过德国 ESK 公司产品的指标，为打破国外技术垄断提供了支撑。


[4] 500 米水深石油多相流量计密封罩的伽马射线吸收系数等关键性能指标达到同类产品国际最高水平，并通过了力学、热稳定性、密封性等机械性能型式试验考核，密封可靠性达API 国际标准，支撑国内产品，打破了国外产品垄断。


主要知识产权目录：获授权国家发明专利 13 项：


[1] CN200910307688.7 氮化硼基复合陶瓷透波材料及其制备方法
[2] CN201410186383.6 一种以纳米硅溶胶为烧结助剂热压制备的氮化硼基透波复合材料的制备方法
[3] CN201510689625.8 氮化硼复相陶瓷侧封板低温热压烧结方法
[4] CN201510689598.4 双辊薄带连铸用氮化硼基侧封板及其制备方法
[5] CN201510689599.9 氮化硼复相陶瓷的过渡相辅助低温烧结方法
[6] CN201510689600.8 薄带连铸用氮化硼基陶瓷侧封板材料的制备方法
[7] CN201510689631.3 薄带连铸用氮化硼复相陶瓷侧封板及其制备方法
[8] CN201110043243.X 一种用于薄带连铸侧封板的陶瓷复合材料及其制备方法
[9] CN201310194837.X 一种 BN/Si3N4复相陶瓷的凝胶注模成型制备方法
[10]CN201410031875.8 一种多孔 BN/Si3N4复合陶瓷封孔层的制备方法
[11]CN201310135823.0 一种具有球形气孔结构的 BN/Si3N4复合陶瓷的制备方法
[12]CN201310106226.5 一种 BN-Si2N2O 复合陶瓷及其制备方法
[13]CN201510938036.9 一种具有定向导热特性的层状六方氮化硼基复合陶瓷的制备方法


主要完成人：贾德昌、王玉金、段小明、杨治华、周玉、蔡德龙主要完成单位：哈尔滨工业大学