CN101239826A - 一种氮化硅透波材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透波材料的制备方法，特别是涉及一种天线罩用氮化硅高温透波材料的制备方法。本发明的基本特征是，以多孔氮化硅材料为预制体，以四氯化硅和氨气为先驱体，以氢气作为载气，以氩气作为稀释气体，通过低压化学气相沉积法制备。本发明的优点是：(1)氮化硅涂层表面致密，没有出现裂纹；(2)氮化硅涂层和多孔氮化硅基体结合强度好；(3)制备的材料介电性能优良，抗烧蚀性能好；(4)该材料密度低，具有良好的抗冲击、抗氧化性能和高强度、硬度高、化学惰性好；(5)可制备具有复杂薄壁近尺寸航天透波材料，机械加工余量少，对基体损伤小。

Description

一种氮化硅透波材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种透波材料的制备方法，特别是涉及一种氮化硅高温透波材料的制备方法。

背景技术

微波透波材料是指对波长在1～1000mm，频率在0.3～300GHz范围的电磁波的透过率大于70％的材料。这种材料可用于制作雷达天线罩，也可用于作高能陀螺仪的窗口材料以及一些诊疗仪器的透波窗材料及用于微波通讯设施中。

国外透波材料的研究始于20世纪50年代，经历了从纤维增强塑料到陶瓷基复合材料的发展过程。美国先后对二氧化硅体系，氮化硼体系，氮化硅体系进行研究。美国航空材料实验室经过五年开发了一种熔融石英纤维增强氧化硅的透波材料；在美国海军资助下，美国Georgia工学院成功研制出了石英陶瓷，该陶瓷介电和高温性能都十分优良，但是孔隙率高，抗雨蚀能力差。大约在二十世纪八十年代美国研制出热压氮化硼陶瓷天线罩，新近美国开发出无机硅聚合物基体透波复合材料。1995年美国又研制出一磷酸盐为粘合剂，烧结温度不超过900℃的无压烧结氮化硅陶瓷材料。1997年，美国研制出以无压烧结SiON纳米复合材料陶瓷天线罩，用于超音速飞行器。俄罗斯透波材料最具代表性的就是硅树脂基复合材料及磷酸盐基复合材料。英国电气公司的Nelson研究室研制出以磷酸盐为晶核的一种玻璃一陶瓷天线罩材料。该材料以五氧化二磷作为宽范围组成硅酸盐玻璃的结晶控制催化剂，具有很好的力学性能、耐热性能和介电性能。国内透波材料的研究从20世纪70年代末开始，开发的透波材料多为树脂基有机材料，如玻璃纤维和石英纤维等有机纤维增强树脂(环氧树脂、氟树脂、双马树脂等)复合材料，特点是工艺简单、成本低、强度低、质量轻，但使用温度低。国内无机陶瓷材料也有一定进展，研制的无机陶瓷透波材料有微晶玻璃、石英陶瓷和纤维增强SiO₂基陶瓷复合材料，特点是使用温度较高，可在1500℃使用。其中微晶玻璃、石英陶瓷是典型的脆性材料，抗冲击性能差，应用于低马赫数导弹透波材料。

烧结氮化硅是一种较好的天线罩候选材料，不仅具有优异的机械性能和很高的热稳定性，而且具有较低的介电常数。它的抗烧蚀性能比熔融石英好，能经受6～7马赫飞行条件下的热震。但它的多孔结构导致其表面易吸潮，由于水的介电常数和介电损耗很大，吸潮后材料的介电常数和介电损耗会急剧增大，天线罩透波性能恶化，而且随环境温度和湿度的变化，材料的吸潮率也会变化，从而造成材料介电性能的不稳定，因此必须对其进行表面致密化处理。在烧结氮化硅天线罩外表面涂覆一层致密的氮化硅薄膜，可以在保证其它性能不变的情况下有效改善其防潮性能及抗粒子侵蚀性能。在多孔氮化硅表面制备一层致密氮化硅薄膜从而使芯层与膜层之间形成一定的介电常数差值有利于拓宽材料的透波频带，从而达到宽频的要求；同时，致密氮化硅薄膜也是一种良好的硬质膜，可以弥补芯层多孔氮化硅由于多孔性造成的表面硬度不足的缺点，可以提高它的抗冲刷性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种天线罩用氮化硅透波材料的制备方法，其特征在于包含多孔氮化硅基体和氮化硅涂层两部分，均匀致密且具有一定厚度的氮化硅涂层牢固地附着在多孔氮化硅基体表面。本发明以分析纯四氯化硅和99.9％纯的氨气为先驱体，以99.99％纯的氢气作为载气，以99.99％纯的氩气作为稀释气体，通过低压化学气相沉积制备氮化硅涂层，其特征在于包含下述顺序的步骤：

(1)设定低压化学气相沉积法制备氮化硅涂层的工艺参数，包括升温时间，沉积温度(1100～1300℃)，鼓泡瓶温度(35～50℃)，氢气、氩气和氨气的流量，沉积时间。

(2)准备多孔氮化硅基体，对多孔氮化硅基体进行处理并超声清洗，之后烘干。

(3)将多孔氮化硅基体放入化学气相沉积炉中，抽真空通入氩气，按照设定程序开始进行加热。

(4)当炉温升至设定的沉积温度时，将鼓泡瓶加热至设定温度，按照设定流量通入氢气、氨气及氩气，开始进行沉积。

本发明其优点是：(1)氮化硅涂层表面致密，没有出现裂纹；(2)氮化硅涂层和多孔氮化硅基体结合强度好；(3)制备的材料介电性能优良，抗烧蚀性能好；(4)该材料密度低，具有良好的抗冲击、抗氧化性能和高强度、硬度高、化学惰性好；(5)可制备具有复杂薄壁近尺寸航天透波材料，机械加工余量少，对基体损伤小。

附图说明

图1是复介电常数的虚部(a是多孔氮化硅，b是沉积氮化硅涂层后的材料)

图2是复介电常数的实部(a是多孔氮化硅，b是沉积氮化硅涂层后的材料)

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

选用多孔氮化硅作为基体，设定采用化学气相沉积法制备的工艺参数：升温时间设为3小时，沉积温度设定为1300℃，沉积时间为10h，鼓泡瓶温度设定为45℃，氢气流量设定为400ml/min，氨气流量设定为180ml/min，氩气设定为950ml/min。将多孔氮化硅基体进行处理并超声清洗，烘干后放入化学气相沉积炉中，关闭化学气相沉积炉，然后抽真空，通入氩气，然后开始按照设定程序进行加热。当温度升至1300℃时，将鼓泡瓶加热至45℃并保持恒定，按照设定流量通入氢气、氨气和氩气，开始沉积，沉积速率很高。按照上述方式沉积几个循环后就制备得到需要的氮化硅透波材料。

实施例2

选用多孔氮化硅作为基体，设定采用化学气相沉积法制备氮化硅透波材料的工艺参数：升温时间设为2.5小时，沉积温度设定为1250℃，沉积时间为10h，鼓泡瓶温度设定为40℃，氢气流量设定为300ml/min，氨气流量设定为180ml/min，氩气设定为950ml/min。将多孔氮化硅基体进行处理并超声清洗，烘干后放入化学气相沉积炉中，关闭化学气相沉积炉，然后抽真空，通入氩气，然后开始按照设定程序进行加热。当温度升至1250℃时，将鼓泡瓶加热至45℃并保持恒定，按照设定流量通入氢气、氨气和氩气，开始沉积，沉积速率较实施例1降低。按照上述方式沉积几个循环后就制备得到需要的氮化硅/氮化硅复合材料。测试结果如图所示，图1复介电常数的虚部(a是多孔氮化硅，b是沉积氮化硅涂层后的材料)，图2是复介电常数的实部(a是多孔氮化硅，b是沉积氮化硅涂层后的材料)。

实施例3

选用多孔氮化硅复合材料作为基体，设定采用化学气相沉积法制备氮化硅透波材料的工艺参数：升温时间设为2.5小时，沉积温度设定为1100℃，沉积时间为10h，鼓泡瓶温度设定为35℃，氢气流量设定为300ml/min，氨气流量设定为180ml/min，氩气设定为950ml/min。将多孔氮化硅复合材料基体进行处理并超声清洗，烘干后放入化学气相沉积炉中，关闭化学气相沉积炉，然后抽真空，通入氩气，然后开始按照设定程序进行加热。当温度升至1100℃时，将鼓泡瓶加热至35℃并保持恒定，按照设定流量通入氢气、氨气和氩气，开始沉积。按照上述方式沉积几个循环后就制备得到需要的氮化硅透波材料。

Claims (3)

1.本发明提供一种高温透波材料的制备方法，其特征在于包含多孔氮化硅基体和氮化硅涂层两部分，均匀致密且具有一定厚度的氮化硅涂层牢固地附着在氮化硅基体表面。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于以多孔氮化硅制成的天线罩、弹头、窗口等各种构件为预制体，以四氯化硅和氨气为先驱体，以氢气作为载气，以氩气作为稀释气体，通过低压化学气相沉积法制备。

3.根据权利要求1和2所述方法，其特征在于化学气相沉积温度1100～1300℃，四氯化硅先驱体的鼓泡瓶保温温度为35～50℃。