CN110386810A - 一种预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法,该方法利用玄武岩纤维优异的力学性能和电磁性能,以及较大的断裂延伸率,与石英陶瓷良好的相容性,对纤维预制体进行预应力张拉,在天线罩/天线窗成型后始终提供张紧力,对基体产生压应力,使得天线罩/天线窗材料力学性能进一步提高。同时,采用上述复合材料制备的天线罩/天线窗材料,拉伸强度>600MPa,弯曲强度>200MPa,10GHz下介电常数约2.6‑3.0,介电损耗0.005‑0.015,能够满足中高马赫飞行器对雷达天线罩/天线窗的使用需求。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷制备领域,特别涉及一种预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法及应用。
背景技术
雷达天线罩/天线窗是位于飞行器头部,用于保护飞行器内部雷达系统不受恶劣天气影响、进行正常信号传输的屏障。雷达天线罩/天线窗应具备良好的力学性能和透波性能。SiO2f/SiO2是目前应用较为广泛、技术较为成熟的雷达天线罩/天线窗材料之一,已成功应用于美国“三叉戟”潜地导弹。
随着飞行器飞行速度的大幅提升,以及传输信号精度需求的越来越高,对天线罩/天线窗材料的原料选择和设计提出了更高的要求。玄武岩纤维由于其优异的力学性能和电磁性能,吸引了学者的注意。资料表明,玄武岩纤维10GHZ下介电常数为2.62,介电损耗在0.005左右,透波性能良好,能够满足雷达天线罩/天线窗电性能要求。同时,玄武岩纤维力学性能优异,断裂延伸率可达3%,是良好的预应力材料。
发明内容
为了解决如何进行合适的天线罩/天线窗材料的原料选择和设计,制备出良好的预应力材料的技术问题,本发明提供一种预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料及其制备方法,是利用玄武岩纤维优异的力学性能和电磁性能,以及较大的断裂延伸率,对纤维预制体进行预应力张拉,在天线罩/天线窗成型后始终提供张紧力,对基体产生压应力,使得天线罩/天线窗材料力学性能进一步提高,能够满足中高马赫飞行器对雷达天线罩/天线窗的使用需求。
本发明提供的一种预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法,具体步骤如下:
步骤一:预制体的编织
预制体采用石英纤维及玄武岩纤维混合编织而成,其中,玄武岩纤维的体积分数为50-80%,玄武岩纤维与石英纤维应均匀分布;
步骤二:预制体预处理
将步骤一的预制体放入酸溶液中,80-100℃恒温水浴1-1.5小时后去离子水冲洗至呈中性,80-85℃空气环境下干燥4-8小时至完全烘干,随后空气环境下1-1.5小时升温至250-300℃保温2-4小时,随炉冷却;
步骤三:预制体张拉浸渍
将步骤二的预制体沿纤维长度方向进行张拉并保持张拉状态,张拉力设置为纤维极限断裂力的20-40%;将张拉后的预制体浸渍于盛有硅溶胶的容器中,置于浸渍罐内,浸渍完毕,将预制体取出,70-80℃空气环境下干燥4-8小时至完全烘干;
步骤四:预制体的烧结
将步骤三的预制体(放入高温炉,通入惰性气体,按照三个阶段分别进行升温并保温一段时间后,2-3小时降至室温;取出,称重并测算密度;其中,惰性气体为氮气或氩气;
步骤五:重复步骤三和步骤四,将重复后的两次步骤四获得的密度进行比较,直至两次密度变化小于0.05g/cm3,拆卸张拉装置,复合材料制备完成。
作为改进,其中,步骤二中酸溶液可以为稀硝酸、稀硫酸或稀盐酸中的一种或任一几种,溶液pH值为4-6。
作为改进,其中,步骤三中硅溶胶粒径10~15μm。
作为改进,步骤三中浸渍罐内浸渍处理时,需要抽真空并保压0.5-1小时,随后加压至0.5-1MPa保压0.5-1小时,完成浸渍。
作为改进,步骤四中三个阶段的烧结过程为:先1-1.5小时升温至90-110℃并保温2-2.5小时;再1-2小时内升温至450-500℃并保温1-2小时;再1-1.5小时升温至550-600℃保温1-2小时。
同时,还提供了一种采用上述任一制备方法获得陶瓷基雷达天线罩/天线窗。
有益效果:本发明提供了一种预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法,该方法利用玄武岩纤维优异的力学性能和电磁性能,以及较大的断裂延伸率,与石英陶瓷良好的相容性,对纤维预制体进行预应力张拉,在天线罩/天线窗成型后始终提供张紧力,对基体产生压应力,使得天线罩/天线窗材料力学性能进一步提高。同时,采用上述复合材料制备的天线罩/天线窗材料,拉伸强度>600MPa,弯曲强度>200MPa,10GHz下介电常数约2.6-3.0,介电损耗0.005-0.015,能够满足中高马赫飞行器对雷达天线罩/天线窗的使用需求。
附图说明
图1是本发明天线罩材料拉伸强度随预应力大小的变化趋势,其中横坐标表示预应力大小与极限力Fmax的比值。
图2是本发明天线罩材料弯曲强度随预应力大小的变化趋势,其中横坐标表示预应力大小与极限力Fmax的比值。
具体实施方式
本发明还提供了线罩材料拉伸强度及弯曲强度随预应力大小的变化趋势,见图1-2所示。从图1可看出,预应力范围在0.2-0.4时,拉伸强度有较明显的提高。从图2可以看出,弯曲强度随预应力增加的变化不明显,保持着先上升,后基本稳定的趋势。综合图1和图2,预应力的大小优选范围为:0.2-0.4。
下面对本发明结合实施例作出进一步说明。
实施例一:
步骤一:预制体采用石英纤维及玄武岩纤维混合编织而成。其中,玄武岩纤维的体积分数为50%,且玄武岩纤维与石英纤维应均匀分布。
步骤二:将步骤一获得的预制体放入pH=5的稀硫酸溶液中,80℃恒温水浴1小时,用去离子水冲洗至呈中性,80℃空气环境下干燥4小时至完全烘干。随后空气环境下1小时升温至250℃保温2小时,随炉冷却。
步骤三:将步骤二获得的预制体沿纤维长度方向进行张拉并保持张拉状态,张拉力为纤维极限断裂力的40%。将张拉后的预制体浸渍于盛有硅溶胶的容器中,置于浸渍罐内。抽真空并保压0.5小时,随后加压至0.5MPa保压1小时。浸渍完毕,将预制体取出,80℃空气环境下干燥8小时至完全烘干。其中,硅溶胶粒径15μm。
步骤四:将步骤三预制体放入高温炉,通入氮气。1小时升温至90℃并保温2.2小时;1小时内升温至450℃并保温1小时;1小时升温至550℃保温1小时;2小时降至室温。取出,称重并测算密度。
步骤五:重复步骤三和步骤四,将重复后的两次步骤四获得的密度进行比较,直至两次密度变化小于0.05g/cm3,材料制备完成。
制备的复合材料在9个浸渍-烧结周期后密度变化小于0.05g/cm3,为1.70g/cm3。拉伸强度628MPa,弯曲强度213MPa,10GHz下介电常数3.0,介电损耗0.014。
实施例二:
步骤一:预制体采用石英纤维及玄武岩纤维混合编织而成。其中,玄武岩纤维的体积分数为80%,且玄武岩纤维与石英纤维应均匀分布。
步骤二:将步骤一获得的预制体放入pH=6稀硝酸溶液中,100℃恒温水浴1.5小时后去离子水冲洗至呈中性,83℃空气环境下干燥8小时至完全烘干。随后空气环境下1小时升温至300℃保温2小时,随炉冷却。
步骤三:将步骤二获得的预制体沿纤维长度方向进行张拉并保持张拉状态,张拉力为纤维极限断裂力的20%。将张拉后的预制体浸渍于盛有硅溶胶的容器中,置于浸渍罐内。抽真空并保压1小时,随后加压至1MPa保压1小时。浸渍完毕,将预制体取出,70℃空气环境下干燥6小时至完全烘干。其中,硅溶胶粒径10μm。
步骤四:将步骤三获得的预制体放入高温炉,通入氩气。1.2小时升温至100℃并保温2.5小时;2小时内升温至500℃并保温2小时;1.2小时升温至600℃保温2小时;3小时降至室温。取出,称重并测算密度。
步骤五:重复步骤三和步骤四,将重复后的两次步骤四获得的密度进行比较,直至两次密度变化小于0.05g/cm3,材料制备完成。
制备的复合材料在7个浸渍-烧结周期后密度变化小于0.05g/cm3,为1.82g/cm3。拉伸强度680MPa,弯曲强度265MPa,10GHz下介电常数2.8,介电损耗0.008。
实施例三:
步骤一:预制体采用石英纤维及玄武岩纤维混合编织而成。其中,玄武岩纤维的体积分数为68%,且玄武岩纤维与石英纤维应均匀分布。
步骤二:将步骤一获得的预制体放入pH=4的稀硫酸溶液中,90℃恒温水浴1.2小时,用去离子水冲洗至呈中性,85℃空气环境下干燥6小时至完全烘干。随后空气环境下1小时升温至280℃保温2小时,随炉冷却。
步骤三:将步骤二获得的预制体沿纤维长度方向进行张拉并保持张拉状态,张拉力为纤维极限断裂力的28%。将张拉后的预制体浸渍于盛有硅溶胶的容器中,置于浸渍罐内。抽真空并保压0.5小时,随后加压至0.7MPa保压0.8小时。浸渍完毕,将预制体取出,75℃空气环境下干燥4小时至完全烘干。其中,硅溶胶粒径13μm。
步骤四:将步骤三获得的预制体放入高温炉,通入氮气。1.5小时升温至110℃并保温2小时;1.5小时内升温至480℃并保温1.8小时;1.5小时升温至580℃保温1.3小时;2.5小时降至室温。取出,称重并测算密度。
步骤五:重复步骤三和步骤四,将重复后的两次步骤四获得的密度进行比较,直至两次密度变化小于0.05g/cm3,材料制备完成。
制备的复合材料在8个浸渍-烧结周期后密度变化小于0.05g/cm3,为1.75g/cm3。拉伸强度648MPa,弯曲强度215MPa,10GHz下介电常数2.9,介电损耗0.012。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法,其特征在于:具体步骤如下:
步骤一:预制体的编织
预制体采用石英纤维及玄武岩纤维混合编织而成,其中,玄武岩纤维的体积分数为50-80%,玄武岩纤维与石英纤维应均匀分布;
步骤二:预制体预处理
将步骤一中所得预制体放入酸溶液中,80-100℃恒温水浴1-1.5小时后去离子水冲洗至呈中性,80-85℃空气环境下干燥4-8小时至完全烘干,随后空气环境下1-1.5小时升温至250-300℃保温2-4小时,随炉冷却;
步骤三:预制体张拉浸渍
将步骤二处理过的预制体沿纤维长度方向进行张拉并保持张拉状态,张拉力设置为纤维极限断裂力的20-40%;将张拉后的预制体浸渍于盛有硅溶胶的容器中,置于浸渍罐内,浸渍完毕,将预制体取出,70-80℃空气环境下干燥4-8小时至完全烘干;
步骤四:预制体的烧结
将步骤三所得预制体放入高温炉,通入惰性气体,按照三个阶段分别进行升温并保温一段时间后,2-3小时降至室温;取出,称重并测算密度;其中,惰性气体为氮气或氩气;
步骤五:重复步骤三和步骤四,将重复后的两次步骤四获得的密度进行比较,直至两次密度变化小于0.05g/cm3,拆卸张拉装置,复合材料制备完成。
2.根据权利要求1所述的预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法,其特征在于:其中,步骤二中酸溶液可以为稀硝酸、稀硫酸或稀盐酸中的一种或任一几种,溶液pH值为4-6。
3.根据权利要求1所述的预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法,其特征在于:其中,步骤三中硅溶胶粒径10~15μm。
4.根据权利要求1所述的预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法,其特征在于:步骤三中浸渍罐内浸渍处理时,需要抽真空并保压0.5-1小时,随后加压至0.5-1MPa保压0.5-1小时,完成浸渍。
5.根据权利要求1所述的预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法,其特征在于:步骤四中三个阶段的烧结过程为:先1-1.5小时升温至90-110℃并保温2-2.5小时;再1-2小时内升温至450-500℃并保温1-2小时;再1-1.5小时升温至550-600℃保温1-2小时。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的预应力陶瓷基雷达天线罩/天线窗复合材料的制备方法获得的陶瓷基雷达天线罩/天线窗。
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