專利名稱：一種透波材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于特種、功能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種透波材料，還涉及所述透波材料的制備方法。
背景技術(shù)：
透波材料是研制天線罩的基礎(chǔ)，材料的介電性能是選擇材料的主要依據(jù)，要求材料具有低介電常數(shù)(ε < 10)和介電損耗。飛行器高速飛行時(shí)的氣動(dòng)加熱，會(huì)在天線罩內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，因此，天線罩材料必須具有很低的線膨脹系數(shù)和優(yōu)良的抗熱沖擊的能力。 同時(shí)，為了承受飛行器高速飛行時(shí)由過載產(chǎn)生的各種應(yīng)力，所選用的天線罩材料強(qiáng)度要高， 要具有一定的剛性；而且，材料必須有足夠的強(qiáng)度、表面硬度和斷裂韌性，使其具有抗雨蝕和抗沙蝕能力。一般材料在高溫工作條件下，其介電特性和強(qiáng)度可能會(huì)發(fā)生明顯的變化，希望高溫天線罩材料的各項(xiàng)性能隨溫度變化的影響越小越好。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)天線罩材料及其制備工藝進(jìn)行了大量的研究，取得了顯著進(jìn)展， 一些新材料及制備工藝已達(dá)到了實(shí)用化水平。用于制造天線罩的透波材料主要有有機(jī)材料和無機(jī)非金屬材料兩大類。有機(jī)類透波材料的強(qiáng)度高、材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，但其應(yīng)用受到基體樹脂的耐熱性能的限制，只能應(yīng)用于低馬赫數(shù)飛行器上。于是各國(guó)逐漸把研究的注意力集中于無機(jī)非金屬材料方面，包括玻璃陶瓷、石英陶瓷及氮化硅陶瓷等，但這類材料明顯存在著脆性大、力學(xué)強(qiáng)度低及介電性能穩(wěn)定差等缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到很大的限制。磷酸鹽體系透波材料具有介電性能優(yōu)良、生產(chǎn)成本低、成型工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，是新一代天線罩材料的理想基礎(chǔ)材料。目前，磷酸鹽復(fù)合材料能夠獲得實(shí)際應(yīng)用的主要是硅質(zhì)纖維增強(qiáng)磷酸鋁、磷酸鉻及磷酸鉻鋁復(fù)合材料。生產(chǎn)時(shí)，首先將纖維織物預(yù)處理，然后用磷酸鹽真空浸漬，最后在一定溫度和壓力下固化成型。在制備過程中需要控制合成磷酸鹽合適的摩爾比，并且選擇合適的PH值對(duì)纖維進(jìn)行保護(hù)處理，這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)造成了不小的困難。專利號(hào)為200710016223. 7的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種硼酸鋁晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料，該材料具有良好的介電性能、良好的力學(xué)性能，以滿足材料制件在不同工況條件的使用要求。但此專利中只考慮了介電性能和力學(xué)性能，未考慮到所得材料的耐高溫性能、臨界抗熱震溫度等參數(shù)，這些性能也是決定透波材料整體性能的關(guān)鍵因素。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種具有良好的介電性能、良好的力學(xué)性能、耐高溫、耐燒蝕性好、具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率、耐高溫性能和較高臨界抗熱震溫度的透波材料?？篃嵴饻囟葹椴牧显嚇蛹訜岬揭欢ǖ臏囟?、保溫IOmin后空冷，反復(fù)進(jìn)行若干次， 若熱震后的抗彎強(qiáng)度與原強(qiáng)度的比值在60%以上、且隨熱震次數(shù)增大該比值趨于平緩時(shí)， 那么此溫度即定為材料的臨界熱抗震溫度。材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)抗熱震溫度有較大的影響。本發(fā)明還提供了所述透波材料的制備方法。一種透波材料，所用各原料的重量百分比如下
3硼酸鋁晶須20% 32%，磷酸鋁60% 77%，氮化硅1%_10%，
所述硼酸鋁晶須純度為99%;磷酸鋁純度大于93%;氮化硅粒徑為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為
硼酸鋁晶須2 30%，磷酸鋁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為硼酸鋁晶須25%，磷酸鋁70%，氮化硅5%。所述的透波材料的制備方法，包括以下步驟
(1)按比例稱量氮化硅、硼酸鋁晶須、磷酸鋁混合成原料；
(2)將干燥后的混合好的原料搗碎，并滴入聚乙烯醇溶液，同時(shí)不斷研磨，至成20-40 目的顆粒，放入密封袋中陳腐；
(3)將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為180-350MPa，保壓時(shí)間為1_3分鐘；
(4)將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，采用高溫電阻爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1050°C 1400°C，保溫時(shí)間為50-90分鐘，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。混料采用球磨法混粉工藝，將混合成的原料與蒸餾水和料球混合，三者重量比為比例為7 1 3，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為30分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300-400轉(zhuǎn)/分鐘，濾出料球。步驟(2)中聚乙烯醇溶液濃度為5wt%，加入量為原料重量的4 8%。步驟(2)原料的干燥溫度為70°C。所用料球?yàn)閯傆袂蚧蛘哐趸喦?。步驟(4 )試樣干燥M小時(shí)，干燥溫度60 V -70 V。步驟(2 )中陳腐M小時(shí)。本發(fā)明選用氮化硅作為添加物，氮化硅化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水。氮化硅就有相對(duì)適中的介電常數(shù)，且硬度高，高的彈性模量，本身具有潤(rùn)滑效果，耐磨損，高溫抗氧化性能。 符合作為本發(fā)明材料增韌和增強(qiáng)的要求，而且其價(jià)格相對(duì)較低，有利于降低生產(chǎn)成本。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，本發(fā)明的透波材料的性能指標(biāo)為密度P 1. 70 2. 90g/cm3，室溫抗彎強(qiáng)度σ :90 250MPa，維氏硬度Hv :250 360MPa，介電常數(shù)ε :2. 6 4. 5，介電損耗角正切值tg θ :0. 007 0. 01，耐高溫達(dá)到1500°C，臨界抗熱震溫度可達(dá)到900°C。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明氮化硅-硼酸鋁晶須-磷酸鋁陶瓷透波材料具有良好的力學(xué)性能、介電性能、耐高溫和較高的臨界熱抗震溫度，能夠滿足應(yīng)用要求；制備方法科學(xué)合理，簡(jiǎn)單易行，便于實(shí)施。
具體實(shí)施例方式以下具體實(shí)施例中使用的硼酸鋁晶須純度為99% ；磷酸鋁純度大于93% ；氮化硅粒徑為100-200目，其中α相氮化硅含量在90%以上。實(shí)施例1
本實(shí)施例透波材料的組成配比為 氮化硅、27%硼酸鋁晶須，其余為磷酸鋁，總質(zhì)量為100克。
4
(1)按比例稱量氮化硅、硼酸鋁晶須、磷酸鋁混合成原料，采用球磨法混粉工藝，將混合成的原料與蒸餾水和料球混合，三者重量比為比例為7:1:3，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為30分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘，濾出料球，所用料球?yàn)閯傆袂颍?br> (2)將磨好的原料在70°C干燥后搗碎，并滴入占原料重量6%的5wt%的聚乙烯醇溶液， 同時(shí)不斷研磨，放入20目標(biāo)準(zhǔn)篩中過篩，放入密封袋中陳腐M小時(shí)；
(3)將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為200MPa，保壓時(shí)間為2分鐘；
(4)將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥M小時(shí)，干燥溫度70°C，干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，采用高溫電阻爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200°C，保溫時(shí)間為60分鐘，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。制得的透波材料經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如下密度2. 45g/cm3，維氏硬度觀010^，抗彎強(qiáng)度210MPa，介電常數(shù)2. 97，介電損耗角正切值0. 0081,臨界熱抗震溫度為750°C。實(shí)施例2
本實(shí)施例透波材料的組成配比為5%氮化硅、25%硼酸鋁晶須，其余為磷酸鋁，總質(zhì)量為100克。(1)按比例稱量氮化硅、硼酸鋁晶須、磷酸鋁混合成原料，采用球磨法混粉工藝，將混合成的原料與蒸餾水和料球混合，三者重量比為比例為7:1:3，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為30分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘，濾出料球，所用料球?yàn)檠趸喦颍?br> (2)將磨好的原料在70°C干燥后搗碎，并滴入占原料重量4%的5wt%的聚乙烯醇溶液， 同時(shí)不斷研磨，至成20目的顆粒，放入密封袋中陳腐M小時(shí)；
(3)將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為180MPa，保壓時(shí)間為3分鐘；
(4)將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥M小時(shí)，干燥溫度60°C，干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，采用高溫電阻爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350°C，保溫時(shí)間為90分鐘，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。制得的透波材料經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如下密度2. 56g/cm3，維氏硬度355MPa，抗彎強(qiáng)度M5MPa，介電常數(shù)2. 99，介電損耗角正切值0. 0089，臨界熱抗震溫度為900°C。對(duì)比實(shí)施例1
實(shí)施例透波材料的組成配比為26%硼酸鋁晶須，其余為磷酸鋁，總質(zhì)量為100克。按照實(shí)施例2的制備步驟操作，制得的透波材料經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如下密度 2. 27g/cm3，維氏硬度205MPa，抗彎強(qiáng)度160MPa，介電常數(shù)2. 92，介電損耗角正切值0. 0078， 臨界熱抗震溫度為700°C。實(shí)施例3
本實(shí)施例透波材料的組成配比為5%氮化硅、2 硼酸鋁晶須，其余為磷酸鋁，總質(zhì)量為100克。(1)按比例稱量氮化硅、硼酸鋁晶須、磷酸鋁混合成原料，采用球磨法混粉工藝，將混合成的原料與蒸餾水和料球混合，三者重量比為比例為7:1:3，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為30分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分鐘，濾出料球，所用料球?yàn)閯傆袂颍?br> (2)將磨好的原料在70°C干燥后搗碎，并滴入占原料重量8%的5wt%的聚乙烯醇溶液， 同時(shí)不斷研磨，放入40目標(biāo)準(zhǔn)篩中過篩，放入密封袋中陳腐M小時(shí)；
(3)將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為350MPa，保壓時(shí)間為1分鐘；(4)將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥M小時(shí)，干燥溫度70°C，干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，采用高溫電阻爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400°C，保溫時(shí)間為50分鐘，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。制得的透波材料經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如下密度2. 50g/cm3，維氏硬度335MPa，抗彎強(qiáng)度220MPa，介電常數(shù)2. 96，介電損耗角正切值0. 0091，臨界熱抗震溫度為850°C。實(shí)施例4
實(shí)施例透波材料的組成配比為10%氮化硅，28%硼酸鋁晶須，其余為磷酸鋁，總質(zhì)量為 100 克。按照實(shí)施例1的制備步驟操作，制得的透波材料經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如下密度 2. 47g/cm3，，維氏硬度350MPa，抗彎強(qiáng)度142MPa，介電常數(shù)4. 2，介電損耗角正切值0. 0099， 臨界熱抗震溫度為800°C。實(shí)施例5
實(shí)施例透波材料的組成配比為10%氮化硅，32%硼酸鋁晶須，其余為磷酸鋁，總質(zhì)量為 100 克。按照實(shí)施例2的制備步驟操作，制得的透波材料經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如下密度 2. 27g/cm3，維氏硬度345MPa，抗彎強(qiáng)度140MPa，介電常數(shù)3. 95，介電損耗角正切值0. 0095， 臨界熱抗震溫度為810°C。
權(quán)利要求
1.一種透波材料，其特征是所用各原料的重量百分比如下硼酸鋁晶須20% 32%，磷酸鋁60% 77%，氮化硅1%_10%，所述硼酸鋁晶須純度為99%;磷酸鋁純度大于93%;氮化硅粒徑為100-200目，其中α 相氮化硅含量在90%以上。
2.根據(jù)權(quán)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為硼酸鋁晶須2 30%，磷酸鋁65% 72%，氮化硅3%-7%。
3.根據(jù)權(quán)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為 硼酸鋁晶須25%，磷酸鋁70%，氮化硅5%。
4.一種權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的透波材料的制備方法，其特征是包括以下步驟(1)按比例稱量氮化硅、硼酸鋁晶須、磷酸鋁混合成原料；(2)將干燥后的混合好的原料搗碎，并滴入聚乙烯醇溶液，同時(shí)不斷研磨，至成20-40 目的顆粒，放入密封袋中陳腐；(3)將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為180-350MPa，保壓時(shí)間為1_3分鐘；(4)將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，采用高溫電阻爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1050°C 1400°C，保溫時(shí)間為50-90分鐘，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于混料采用球磨法混粉工藝，將混合成的原料與蒸餾水和料球混合，三者重量比為比例為7 1 3，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為30分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300-400轉(zhuǎn)/分鐘，濾出料球。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中聚乙烯醇溶液濃度為5wt%， 加入量為原料重量的4 8%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(2)原料的干燥溫度為70°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所用料球?yàn)閯傆袂蚧蛘哐趸喦颉?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(4)試樣干燥M小時(shí)，干燥溫度 600C -70"C。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中陳腐M小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬于特種、功能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域一種透波材料，所用各原料的重量百分比如下硼酸鋁晶須20%～32%，磷酸鋁60%～77%，氮化硅1%-10%，所述硼酸鋁晶須純度為99%；磷酸鋁純度大于93%；氮化硅粒徑為100-200目，其中α相氮化硅含量在90%以上。制備方法，包括以下步驟混料；搗碎，研磨，至成20-40目的顆粒陳腐；冷壓成型；燒結(jié)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明透波材料具有良好的力學(xué)性能、介電性能、導(dǎo)熱性能、耐高溫和較高的臨界熱抗震溫度，能夠滿足應(yīng)用要求，制備方法科學(xué)合理，簡(jiǎn)單易行，便于實(shí)施。
文檔編號(hào)C04B35/81GK102432323SQ20111027243
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者侯憲欽, 楊忠喜, 王河, 王艷, 耿浩然 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)