CN102432323A

CN102432323A - 一种透波材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102432323A
Application number: CN2011102724339A
Authority: CN
Inventors: 耿浩然; 王河; 杨忠喜; 王艳; 侯宪钦
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: CN102432323B

Abstract

本发明属于特种、功能陶瓷材料技术领域一种透波材料，所用各原料的重量百分比如下：硼酸铝晶须20%～32%，磷酸铝60%～77%，氮化硅1%-10%，所述硼酸铝晶须纯度为99%；磷酸铝纯度大于93%；氮化硅粒径为100-200目，其中α相氮化硅含量在90%以上。制备方法，包括以下步骤：混料；捣碎，研磨，至成20-40目的颗粒陈腐；冷压成型；烧结。本发明的有益效果：本发明透波材料具有良好的力学性能、介电性能、导热性能、耐高温和较高的临界热抗震温度，能够满足应用要求，制备方法科学合理，简单易行，便于实施。

Description

一种透波材料及其制备方法

技术领域

本发明属于特种、功能陶瓷材料技术领域，特别涉及到一种透波材料，还涉及所述透波材料的制备方法。

背景技术

透波材料是研制天线罩的基础，材料的介电性能是选择材料的主要依据，要求材料具有低介电常数(ε＜10)和介电损耗。飞行器高速飞行时的气动加热，会在天线罩内部产生很大的热应力，因此，天线罩材料必须具有很低的线膨胀系数和优良的抗热冲击的能力。同时，为了承受飞行器高速飞行时由过载产生的各种应力，所选用的天线罩材料强度要高，要具有一定的刚性；而且，材料必须有足够的强度、表面硬度和断裂韧性，使其具有抗雨蚀和抗沙蚀能力。一般材料在高温工作条件下，其介电特性和强度可能会发生明显的变化，希望高温天线罩材料的各项性能随温度变化的影响越小越好。

国外发达国家对天线罩材料及其制备工艺进行了大量的研究，取得了显著进展，一些新材料及制备工艺已达到了实用化水平。用于制造天线罩的透波材料主要有有机材料和无机非金属材料两大类。有机类透波材料的强度高、材料可设计性强，但其应用受到基体树脂的耐热性能的限制，只能应用于低马赫数飞行器上。于是各国逐渐把研究的注意力集中于无机非金属材料方面，包括玻璃陶瓷、石英陶瓷及氮化硅陶瓷等，但这类材料明显存在着脆性大、力学强度低及介电性能稳定差等缺点，其应用受到很大的限制。

磷酸盐体系透波材料具有介电性能优良、生产成本低、成型工艺简单、生产周期短的特点，是新一代天线罩材料的理想基础材料。目前，磷酸盐复合材料能够获得实际应用的主要是硅质纤维增强磷酸铝、磷酸铬及磷酸铬铝复合材料。生产时，首先将纤维织物预处理，然后用磷酸盐真空浸渍，最后在一定温度和压力下固化成型。在制备过程中需要控制合成磷酸盐合适的摩尔比，并且选择合适的pH值对纤维进行保护处理，这对实际生产造成了不小的困难。

专利号为200710016223.7的中国发明专利公开了一种硼酸铝晶须增强的磷酸铝基透波材料，该材料具有良好的介电性能、良好的力学性能，以满足材料制件在不同工况条件的使用要求。但此专利中只考虑了介电性能和力学性能，未考虑到所得材料的耐高温性能、临界抗热震温度等参数，这些性能也是决定透波材料整体性能的关键因素。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种具有良好的介电性能、良好的力学性能、耐高温、耐烧蚀性好、具有优良的热导率、耐高温性能和较高临界抗热震温度的透波材料。

抗热震温度为材料试样加热到一定的温度、保温10min后空冷，反复进行若干次，若热震后的抗弯强度与原强度的比值在60%以上、且随热震次数增大该比值趋于平缓时，那么此温度即定为材料的临界热抗震温度。材料的内部组织结构对抗热震温度有较大的影响。

本发明还提供了所述透波材料的制备方法。

一种透波材料，所用各原料的重量百分比如下：

硼酸铝晶须20%～32%，磷酸铝60%～77%，氮化硅1%-10%，

所述硼酸铝晶须纯度为99%；磷酸铝纯度大于93%；氮化硅粒径为100-200目，其中α相氮化硅含量在90%以上。

所述的透波材料，所用各原料的重量百分比为

硼酸铝晶须22%～30%，磷酸铝65%～72%，氮化硅3%-7%。

所述的透波材料，所用各原料的重量百分比为

硼酸铝晶须25%，磷酸铝70%，氮化硅5%。

所述的透波材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）按比例称量氮化硅、硼酸铝晶须、磷酸铝混合成原料；

（2）将干燥后的混合好的原料捣碎，并滴入聚乙烯醇溶液，同时不断研磨，至成20-40目的颗粒，放入密封袋中陈腐；

（3）将陈腐后的原料冷压成型，压强为180-350MPa，保压时间为1-3分钟；

（4）将干燥后的试样在常压下烧结，采用高温电阻炉进行烧结，烧结温度为1050℃～1400℃，保温时间为50-90分钟，然后在炉内自然冷却降至室温。

混料采用球磨法混粉工艺，将混合成的原料与蒸馏水和料球混合，三者重量比为比例为7:1:3，进行球磨混料，球磨时间为30分钟，球磨机转速为300-400转/分钟，滤出料球。

步骤（2）中聚乙烯醇溶液浓度为5wt%，加入量为原料重量的4～8%。

步骤（2）原料的干燥温度为70℃。

所用料球为刚玉球或者氧化锆球。

步骤（4）试样干燥24小时，干燥温度60℃-70℃。

步骤（2）中陈腐24小时。

本发明选用氮化硅作为添加物，氮化硅化学性质稳定，不溶于水。氮化硅就有相对适中的介电常数，且硬度高，高的弹性模量，本身具有润滑效果，耐磨损，高温抗氧化性能。符合作为本发明材料增韧和增强的要求，而且其价格相对较低，有利于降低生产成本。

经试验检测，本发明的透波材料的性能指标为：密度ρ：1.70～2.90g/cm³，室温抗弯强度σ：90～250MPa，维氏硬度Hv：250～360MPa，介电常数ε：2.6～4.5，介电损耗角正切值tgθ：0.007～0.01，耐高温达到1500℃，临界抗热震温度可达到900℃。

本发明的有益效果：

本发明氮化硅-硼酸铝晶须-磷酸铝陶瓷透波材料具有良好的力学性能、介电性能、耐高温和较高的临界热抗震温度，能够满足应用要求；制备方法科学合理，简单易行，便于实施。

具体实施方式

以下具体实施例中使用的硼酸铝晶须纯度为99%；磷酸铝纯度大于93%；氮化硅粒径为100-200目，其中α相氮化硅含量在90%以上。

实施例1

本实施例透波材料的组成配比为：2%氮化硅、27%硼酸铝晶须，其余为磷酸铝，总质量为100克。

（1）按比例称量氮化硅、硼酸铝晶须、磷酸铝混合成原料，采用球磨法混粉工艺，将混合成的原料与蒸馏水和料球混合，三者重量比为比例为7:1:3，进行球磨混料，球磨时间为30分钟，球磨机转速为300转/分钟，滤出料球，所用料球为刚玉球；

（2）将磨好的原料在70℃干燥后捣碎，并滴入占原料重量6%的5wt%的聚乙烯醇溶液，同时不断研磨，放入20目标准筛中过筛，放入密封袋中陈腐24小时；

（3）将陈腐后的原料冷压成型，压强为200MPa，保压时间为2分钟；

（4）将压制好的试样放入干燥箱中干燥24小时，干燥温度70℃，干燥后的试样在常压下烧结，采用高温电阻炉进行烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为60分钟，然后在炉内自然冷却降至室温。

制得的透波材料经测试，技术指标如下：密度2.45g/cm³，维氏硬度280MPa，抗弯强度210MPa，介电常数2.97，介电损耗角正切值0.0081,临界热抗震温度为750℃。

实施例2

本实施例透波材料的组成配比为：5%氮化硅、25%硼酸铝晶须，其余为磷酸铝，总质量为100克。

（1）按比例称量氮化硅、硼酸铝晶须、磷酸铝混合成原料，采用球磨法混粉工艺，将混合成的原料与蒸馏水和料球混合，三者重量比为比例为7:1:3，进行球磨混料，球磨时间为30分钟，球磨机转速为400转/分钟，滤出料球，所用料球为氧化锆球；

（2）将磨好的原料在70℃干燥后捣碎，并滴入占原料重量4%的5wt%的聚乙烯醇溶液，同时不断研磨，至成20目的颗粒，放入密封袋中陈腐24小时；

（3）将陈腐后的原料冷压成型，压强为180MPa，保压时间为3分钟；

（4）将压制好的试样放入干燥箱中干燥24小时，干燥温度60℃，干燥后的试样在常压下烧结，采用高温电阻炉进行烧结，烧结温度为1350℃，保温时间为90分钟，然后在炉内自然冷却降至室温。

制得的透波材料经测试，技术指标如下：密度2.56g/cm³，维氏硬度355MPa，抗弯强度245MPa，介电常数2.99，介电损耗角正切值0.0089，临界热抗震温度为900℃。

对比实施例1

实施例透波材料的组成配比为：26%硼酸铝晶须，其余为磷酸铝，总质量为100克。

按照实施例2的制备步骤操作，制得的透波材料经测试，技术指标如下：密度2.27g/cm³，维氏硬度205MPa，抗弯强度160MPa，介电常数2.92，介电损耗角正切值0.0078，临界热抗震温度为700℃。

实施例3

本实施例透波材料的组成配比为：5%氮化硅、22%硼酸铝晶须，其余为磷酸铝，总质量为100克。

（1）按比例称量氮化硅、硼酸铝晶须、磷酸铝混合成原料，采用球磨法混粉工艺，将混合成的原料与蒸馏水和料球混合，三者重量比为比例为7:1:3，进行球磨混料，球磨时间为30分钟，球磨机转速为350转/分钟，滤出料球，所用料球为刚玉球；

（2）将磨好的原料在70℃干燥后捣碎，并滴入占原料重量8%的5wt%的聚乙烯醇溶液，同时不断研磨，放入40目标准筛中过筛，放入密封袋中陈腐24小时；

（3）将陈腐后的原料冷压成型，压强为350MPa，保压时间为1分钟；

（4）将压制好的试样放入干燥箱中干燥24小时，干燥温度70℃，干燥后的试样在常压下烧结，采用高温电阻炉进行烧结，烧结温度为1400℃，保温时间为50分钟，然后在炉内自然冷却降至室温。

制得的透波材料经测试，技术指标如下：密度2.50g/cm³，维氏硬度335MPa，抗弯强度220MPa，介电常数2.96，介电损耗角正切值0.0091，临界热抗震温度为850℃。

实施例4

实施例透波材料的组成配比为：10%氮化硅，28%硼酸铝晶须，其余为磷酸铝，总质量为100克。

按照实施例1的制备步骤操作，制得的透波材料经测试，技术指标如下：密度2.47g/cm³，，维氏硬度350MPa，抗弯强度142MPa，介电常数4.2，介电损耗角正切值0.0099，临界热抗震温度为800℃。

实施例5

实施例透波材料的组成配比为：10%氮化硅，32%硼酸铝晶须，其余为磷酸铝，总质量为100克。

按照实施例2的制备步骤操作，制得的透波材料经测试，技术指标如下：密度2.27g/cm³，维氏硬度345MPa，抗弯强度140MPa，介电常数3.95，介电损耗角正切值0.0095，临界热抗震温度为810℃。

Claims

1.一种透波材料，其特征是所用各原料的重量百分比如下：

硼酸铝晶须20%～32%，磷酸铝60%～77%，氮化硅1%-10%，

2.根据权利要求1所述的透波材料，其特征是所用各原料的重量百分比为

硼酸铝晶须22%～30%，磷酸铝65%～72%，氮化硅3%-7%。

3.根据权利要求1所述的透波材料，其特征是所用各原料的重量百分比为

硼酸铝晶须25%，磷酸铝70%，氮化硅5%。

4.一种权利要求1-3中任一项所述的透波材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）按比例称量氮化硅、硼酸铝晶须、磷酸铝混合成原料；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于混料采用球磨法混粉工艺，将混合成的原料与蒸馏水和料球混合，三者重量比为比例为7:1:3，进行球磨混料，球磨时间为30分钟，球磨机转速为300-400转/分钟，滤出料球。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（2）中聚乙烯醇溶液浓度为5wt%，加入量为原料重量的4～8%。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（2）原料的干燥温度为70℃。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所用料球为刚玉球或者氧化锆球。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（4）试样干燥24小时，干燥温度60℃-70℃。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（2）中陈腐24小时。