高性能氮化物透波材料的設計、制備及特性研究.pdf

1、近些年，氮化物陶瓷材料因其具有優(yōu)異的力學性能和抗燒蝕性能，適宜的介電性能和較好的防熱性能，成為國內外高溫透波材料研究的熱點之一。本文從電氣設計、孔結構設計、材料制備及加工、性能評價等幾個方面對半波長壁厚氮化物陶瓷天線罩進行分析，研制出在較寬頻率范圍內物理、力學、介電性能可調的系列化高透波率Si-B-N-O系天線罩材料，成功制備出了滿足高馬赫數(shù)導彈應用的多種規(guī)格氮化物陶瓷天線罩，具有優(yōu)異的防熱、承載、透波性能，實現(xiàn)了透波材料結構——功能一

2、體化的要求，為我國高性能陶瓷透波材料研制奠定了堅實基礎。 本文運用四端網絡理論和孔結構控制理論，以半波長壁厚天線罩為例，通過建立其數(shù)學和物理模型，對透波材料的介電性能、天線罩罩體厚度、涂層厚度進行了優(yōu)化設計，并結合運用材料制備基礎理論，確定涂層材料的介電常數(shù)ε范圍，設計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構與材料，為天線罩的制備提供重要的理論依據(jù)。設計結果表明：在介電常數(shù)ε小于3.5時，在所計算頻段范圍內透

3、波率都高達80％；涂層介電常數(shù)ε小于3.2時，對透波率沒有太大的影響：當層厚比小于1:15時，涂層厚度基本上對電性能沒有影響。 根據(jù)天線罩材料對熱、力、電性能的綜合要求，系統(tǒng)研究了多孔Si3N4陶瓷的成孔機理，氣孔率、孔結構分布對材料力學性能、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。結果表明，含

4、有15wt％酚醛樹脂的樣品，氣孔率和β-Si3N4晶粒的長徑比均大于無造孔劑的試樣，β-Si3N4晶粒的長徑比約為5～7；當玉米淀粉含量5～20wt％時，Si3N4陶瓷氣孔率高達42～63％，彎曲強度為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，氣孔率從外層到內層成逐漸增高的梯度分布趨勢，具有較好力學性能。采用加入稀土氧化物的方法，通過部分燒結工藝制備出

5、低密度、高氣孔率、高強度的氮化硅陶瓷，并研究了長柱狀晶的生長機理，研究表明：單獨以Y2O3為燒結助劑，對長柱狀晶的形成有很好的促進作用，當Y2O3添加量達到9wt％時，Si3N4陶瓷的氣孔率達42.1％，彎曲強度仍可高達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的理論值與測量值均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。該材料體系最佳的燒結溫度是1700℃，保溫時間控制在2h以內，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BN的顆粒含量為20wt％時，SiO2-BN-Si3N4系復合材料的氣孔率為23％，彎曲強度為226MPa，彈性模量為114GPa。納米SiO2顆粒

7、的加入能夠明顯降低該復合材料的燒結溫度，促進β-Si3N4晶粒的發(fā)育，當納米SiO2含量5wt％時，材料的氣孔率達到最低，彎曲強度和彈性模量達到最大；隨著納米SiO2含量進一步增加，Si2N2O相含量增大，β-Si3N4晶粒粗化，氣孔率升高，材料的力學性能有所下降。納米SiO2的引入還能夠有效改善SiO2-BN-Si3N4系復合材料的介電性能，通過調整納米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Si3N4復合材料的制備工藝并對其力學性能、介電性能進行了評價。研究結果表明：采用全氫聚硅氮烷(PHPS)先驅體轉化法，可在BN纖維表面形成一層Si3N4涂層作為復合材料的界面層，使纖維和基體能很好的結合，在國內首次制備出采用三維編織BN纖維增強Si3N4復合材料。隨著BN短切纖維含量的增加，復合材料的氣孔率增加，強度有所下降，而斷裂韌性和抗熱震性明顯提高

9、。當BN短切纖維含量為10wt％時，BN/Si3N4復合材料的斷裂韌性為3.7 MPa.m1/2；對連續(xù)BN三維編織體增強的Si3N4復合材料，斷裂韌性可達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Si3N4陶瓷透波材料提供了理論依據(jù)和具有指導價值。 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％，同時具有明顯的增強效果，基體材料的彎曲強度從涂覆前的79.5MPa提高到116.3MPa，提高幅度達到了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)物質為反應物，在H2氣氛下，通過分子間化學反應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制，并建立了生長模型，為更高馬赫數(shù)導彈提供了新型的防潮涂層材料。 研究了半波長壁厚氮化物基陶瓷天線罩體的制備技術，通過冷等靜壓成型，氣氛壓力燒結，精密冷加工工藝制備出了目前國內最大尺寸φ490x900mm氮化物陶瓷天線罩。系統(tǒng)分析了Si3N4材料的氧化機理，對氮化物基材料以及罩體