高性能氮化物透波材料的設(shè)計(jì)、制備及特性研究.pdf_第1頁(yè)
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1、近些年,氮化物陶瓷材料因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和抗燒蝕性能,適宜的介電性能和較好的防熱性能,成為國(guó)內(nèi)外高溫透波材料研究的熱點(diǎn)之一。本文從電氣設(shè)計(jì)、孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備及加工、性能評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面對(duì)半波長(zhǎng)壁厚氮化物陶瓷天線罩進(jìn)行分析,研制出在較寬頻率范圍內(nèi)物理、力學(xué)、介電性能可調(diào)的系列化高透波率Si-B-N-O系天線罩材料,成功制備出了滿足高馬赫數(shù)導(dǎo)彈應(yīng)用的多種規(guī)格氮化物陶瓷天線罩,具有優(yōu)異的防熱、承載、透波性能,實(shí)現(xiàn)了透波材料結(jié)構(gòu)——功能一

2、體化的要求,為我國(guó)高性能陶瓷透波材料研制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 本文運(yùn)用四端網(wǎng)絡(luò)理論和孔結(jié)構(gòu)控制理論,以半波長(zhǎng)壁厚天線罩為例,通過建立其數(shù)學(xué)和物理模型,對(duì)透波材料的介電性能、天線罩罩體厚度、涂層厚度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并結(jié)合運(yùn)用材料制備基礎(chǔ)理論,確定涂層材料的介電常數(shù)ε范圍,設(shè)計(jì)和制備出具有高透波率、抗雨蝕、耐高溫多孔氮化物陶瓷天線罩結(jié)構(gòu)與材料,為天線罩的制備提供重要的理論依據(jù)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明:在介電常數(shù)ε小于3.5時(shí),在所計(jì)算頻段范圍內(nèi)透

3、波率都高達(dá)80%;涂層介電常數(shù)ε小于3.2時(shí),對(duì)透波率沒有太大的影響:當(dāng)層厚比小于1:15時(shí),涂層厚度基本上對(duì)電性能沒有影響。 根據(jù)天線罩材料對(duì)熱、力、電性能的綜合要求,系統(tǒng)研究了多孔Si3N4陶瓷的成孔機(jī)理,氣孔率、孔結(jié)構(gòu)分布對(duì)材料力學(xué)性能、介電性能的影響規(guī)律。采用添加造孔劑的方法,通過氣氛壓力燒結(jié)工藝(Gas Pressure Sintering,GPS)制備出系列化不同氣孔率和孔徑分布的多孔梯度Si3N4陶瓷。結(jié)果表明,含

4、有15wt%酚醛樹脂的樣品,氣孔率和β-Si3N4晶粒的長(zhǎng)徑比均大于無造孔劑的試樣,β-Si3N4晶粒的長(zhǎng)徑比約為5~7;當(dāng)玉米淀粉含量5~20wt%時(shí),Si3N4陶瓷氣孔率高達(dá)42~63%,彎曲強(qiáng)度為78.2~37.8MPa,具有優(yōu)異的介電性能,介電常數(shù)ε為3.3~2.3;采用石英空心球作造孔劑,制備出的多孔Si-N-O陶瓷,氣孔率從外層到內(nèi)層成逐漸增高的梯度分布趨勢(shì),具有較好力學(xué)性能。采用加入稀土氧化物的方法,通過部分燒結(jié)工藝制備出

5、低密度、高氣孔率、高強(qiáng)度的氮化硅陶瓷,并研究了長(zhǎng)柱狀晶的生長(zhǎng)機(jī)理,研究表明:?jiǎn)为?dú)以Y2O3為燒結(jié)助劑,對(duì)長(zhǎng)柱狀晶的形成有很好的促進(jìn)作用,當(dāng)Y2O3添加量達(dá)到9wt%時(shí),Si3N4陶瓷的氣孔率達(dá)42.1%,彎曲強(qiáng)度仍可高達(dá)126MPa,斷裂韌性為2.21MPa.m1/2。隨著材料中Y2O3含量的增加,介電常數(shù)ε的理論值與測(cè)量值均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。該材料體系最佳的燒結(jié)溫度是1700℃,保溫時(shí)間控制在2h以內(nèi),為寬頻帶天線罩制備提供了系

6、列化的多孔和孔梯度材料。 本文系統(tǒng)研究了BN顆粒和納米SiO2顆粒對(duì)材料性能影響,通過GPS工藝,制備出了系列化的Si-B-N-O系透波材料。研究表明:隨著BN顆粒含量的增加,SiO2-BN-Si3N4系復(fù)合材料密度明顯下降,氣孔率增大,材料的抗熱震性能顯著提高,介電性能得到改善。當(dāng)BN的顆粒含量為20wt%時(shí),SiO2-BN-Si3N4系復(fù)合材料的氣孔率為23%,彎曲強(qiáng)度為226MPa,彈性模量為114GPa。納米SiO2顆粒

7、的加入能夠明顯降低該復(fù)合材料的燒結(jié)溫度,促進(jìn)β-Si3N4晶粒的發(fā)育,當(dāng)納米SiO2含量5wt%時(shí),材料的氣孔率達(dá)到最低,彎曲強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到最大;隨著納米SiO2含量進(jìn)一步增加,Si2N2O相含量增大,β-Si3N4晶粒粗化,氣孔率升高,材料的力學(xué)性能有所下降。納米SiO2的引入還能夠有效改善SiO2-BN-Si3N4系復(fù)合材料的介電性能,通過調(diào)整納米SiO2的含量,可以制備出介電常數(shù)為4.0~6.0系列化的、具有較高強(qiáng)度、低損耗高

8、性能陶瓷透波材料。 本文系統(tǒng)研究了BN短切纖維和連續(xù)BN纖維三維編織體增強(qiáng)Si3N4復(fù)合材料的制備工藝并對(duì)其力學(xué)性能、介電性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明:采用全氫聚硅氮烷(PHPS)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法,可在BN纖維表面形成一層Si3N4涂層作為復(fù)合材料的界面層,使纖維和基體能很好的結(jié)合,在國(guó)內(nèi)首次制備出采用三維編織BN纖維增強(qiáng)Si3N4復(fù)合材料。隨著BN短切纖維含量的增加,復(fù)合材料的氣孔率增加,強(qiáng)度有所下降,而斷裂韌性和抗熱震性明顯提高

9、。當(dāng)BN短切纖維含量為10wt%時(shí),BN/Si3N4復(fù)合材料的斷裂韌性為3.7 MPa.m1/2;對(duì)連續(xù)BN三維編織體增強(qiáng)的Si3N4復(fù)合材料,斷裂韌性可達(dá)5.1MPa·m1/2,并且具有優(yōu)良的透波性能,在3~6GHz、16~18GHz波段透波率超過85%,為研制新一代的高性能BN纖維增強(qiáng)Si3N4陶瓷透波材料提供了理論依據(jù)和具有指導(dǎo)價(jià)值。 防潮涂層能夠有效地降低天線罩的吸水率,提高材料的抗燒蝕及承載能力。通過浸漬涂覆法和低壓化

10、學(xué)氣相沉積(LPCVD)工藝在多孔Si-B-N-O系基體材料表面制備SiO2涂層和Si3N4薄膜。研究表明:經(jīng)過多次噴涂—固化—高溫裂解處理后,在基體上生成一層均勻、致密的Si02薄膜,其厚度約為115μm,基體的吸水率由涂覆前的1.34%下降為0.01%,同時(shí)具有明顯的增強(qiáng)效果,基體材料的彎曲強(qiáng)度從涂覆前的79.5MPa提高到116.3MPa,提高幅度達(dá)到了46.3%。帶有防潮涂層的試樣在水中浸泡24h后,介電常數(shù)和介電損耗與透波率均

11、無明顯變化。以SiCl4和NH3氣態(tài)物質(zhì)為反應(yīng)物,在H2氣氛下,通過分子間化學(xué)反應(yīng)在基體上形成了性能優(yōu)異的非晶態(tài)氮化硅薄膜,研究分析了氮化硅薄膜的生成機(jī)制,并建立了生長(zhǎng)模型,為更高馬赫數(shù)導(dǎo)彈提供了新型的防潮涂層材料。 研究了半波長(zhǎng)壁厚氮化物基陶瓷天線罩體的制備技術(shù),通過冷等靜壓成型,氣氛壓力燒結(jié),精密冷加工工藝制備出了目前國(guó)內(nèi)最大尺寸φ490x900mm氮化物陶瓷天線罩。系統(tǒng)分析了Si3N4材料的氧化機(jī)理,對(duì)氮化物基材料以及罩體

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