氮化硼-氮化硅夹层宽频透波材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化硼‑氮化硅夹层宽频透波材料的制备方法，包括以下步骤：以氮化硅陶瓷粉体为原料，采用凝胶注模法制得多孔氮化硅坯体；将多孔氮化硅坯体的上下表面铺排氮化硼混合粉后采用放电等离子烧结工艺进行烧结，得到夹层陶瓷；将夹层陶瓷进行除碳处理，得氮化硼‑氮化硅夹层宽频透波材料。本发明专利技术制备的氮化硼‑氮化硅夹层宽频透波材料不开裂、层间结合好且微观结构可调，可应用于高温宽频天线罩等透波部件。

【技术实现步骤摘要】
氮化硼-氮化硅夹层宽频透波材料及其制备方法
本专利技术涉及高温透波复合材料领域，尤其涉及一种氮化硼-氮化硅夹层宽频透波材料及其制备方法。
技术介绍
反辐射导弹逐渐成为现代高科技战争中压制防空系统、夺取战场电磁优势、充分发挥空袭武器装备效能的重要手段。其导引头需要工作在很宽的频段范围内以覆盖雷达工作频率（0.1～40GHz），这就要求其具有良好的宽频透波性能；而导弹在高速飞行中又承受着气动载荷和环境粒子、雨流的冲刷等苛刻环境；同时，雷达导引系统还要满足对功率传输系数、瞄准误差和瞄准误差斜率等电气性能的要求，以顺利完成精确制导及引爆等任务。这就对位于导弹头部的天线罩及其材料提出了严苛要求，如耐高温、宽频带、抗烧蚀、高承载、低瞄准误差等。天线罩获得宽频透波性能主要有两种技术途径：一是材料设计，即选择介电常数和介电损耗极低的介质材料；二是结构设计，使其具有特殊的结构以满足电性能要求。在材料方面，以氮化物陶瓷（氮化硅、氮化硼）为基本组成的陶瓷基复合材料天线罩综合性能优异，可满足应用需求。在结构设计方面，采用夹层结构是有效拓宽频带的方式，其原理是通过合理设计每层的介电常数、层数和厚度，使其产生的反射在一定频带范围内能相互抵消，以致在所要求的整个频带内反射极小。美国BoeingAerospace公司利用反应烧结氮化硅制备的多倍频宽带天线罩罩壁结构分为两层，即较薄的高密度氮化硅表层和较厚的低密度（0.6～1.8g/cm3）氮化硅内层（F.H.Simpson,etal.Controlleddensitysiliconnitridematerial.Proceedingsofthe16thsymposiumonelectromagneticwindows,Atlanta,GA,1982）。美国空军开发出具有三段结构的氮化硅宽频天线罩，其前段密度为0.75～1.0g/cm3，后部密度为1.6～2.0g/cm3，中间段的密度居中。该天线罩材料通过加入一种填料，使其在高温下升华形成多孔结构，通过控制加入填料的量来调节产物不同部位的密度（J.Verzemnieks,etal.Siliconnitridearticleswithcontrolledmulti-densityregions.USPatent,5103239,1992）。以色列也开发出具有双层结构的氮化硅天线罩，通过液相无压烧结和反应烧结工艺制得，其介电常数为2.5~8.0，损耗角正切低于3×10-3，具有较好的力学性能及耐高温、耐雨蚀、耐烧蚀性能（J.Barta,etal.Preparationandpropertiesofsiliconnitrideforradomeapplications.Proceedingsofthe16thsymposiumonelectromagneticwindows,Atlanta,GA,1982）。CN201611161843.5公开了一种氮化硅宽频带透波材料及其制备方法，包含7层材料，每层通过多层氮化硅薄膜叠加而成，而氮化硅薄膜则不同比例Si3N4、Al2O3、Y2O3、造孔剂和分散剂组成的浆料通过流延成型制备而成。以上均采用传统反应或无压烧结方法制备夹层透波陶瓷材料，对致密层通常需经过多次成型和烧结。而氮化物陶瓷的B-N、Si-N等共价键键能高，原子扩散系数低，在不添加烧结助剂的情况下，采用传统烧结方法在低温下很难实现烧结，高温下则需要较长的保温时间，使得晶粒过度生长；而其微观结构（气孔、晶界、晶粒尺寸等）对陶瓷力学、介电和透波性能均有深远影响。此外，夹层材料在传统烧结过程中极易因收缩不均匀而引起开裂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种快速烧结且夹层界面结合好的氮化硼-氮化硅夹层宽频透波材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种氮化硼-氮化硅夹层宽频透波材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将聚合物单体、交联剂、分散剂、造孔剂和去离子水混合，得到混合溶液；以氮化硅陶瓷粉体和烧结助剂I为混合固相，加入至混合溶液中进行球磨预处理，得到预混合浆液；S2、向步骤S1所得的预混合浆料加入pH调节剂至pH值为8.5～11.5，球磨，得到混合浆料，将所述混合浆料在搅拌条件下进行真空除气，加入引发剂混合，得到注模浆料；S3、将步骤S2所得的注模浆料进行注模成型，待浆料完全固化后进行脱模、干燥、排胶处理，得到多孔氮化硅坯体；S4、将步骤S3所得的多孔氮化硅坯体的上下表面铺排氮化硼混合粉，采用放电等离子烧结工艺进行烧结，得到夹层陶瓷；所述氮化硼混合粉为氮化硼和烧结助剂II；S5、步骤S4所得的夹层陶瓷进行除碳处理，即得氮化硼-氮化硅夹层宽频透波材料。优选地，所述步骤S4中，所述放电等离子烧结工艺的具体步骤为：以10℃/min～200℃/min的升温速率升温至1400℃～2000℃进行放电等离子烧结，保温1min～60min后，随炉冷至室温，其中，烧结时的压力为10MPa～50MPa，烧结气氛为氮气、氦气、氩气或真空的一种。更优选地，所述步骤S4中，所述放电等离子烧结工艺中，所述升温速率为60℃/min～120℃/min，烧结温度为1550℃～1850℃，保温时间为5min～30min，烧结压力为20MPa～30MPa，烧结气氛为氮气。优选地，所述步骤S4中，所述烧结助剂II为A12O3、Y2O3和B2O3，所述氮化硼与烧结助剂II中A12O3、Y2O3、B2O3的质量比为100∶0.1～10∶0.1～8∶0.1～3。更优选地，所述氮化硼与烧结助剂II中A12O3、Y2O3、B2O3的质量比为100∶2～8∶1～5∶0.5～2。优选地，所述步骤S1中，所述烧结助剂I为SiO2和Al2O3，所述氮化硅陶瓷粉体与烧结助剂I中SiO2、Al2O3的质量比为100∶0.1～3∶0.1～5。更优选地，所述氮化硅陶瓷粉体与烧结助剂I中SiO2、Al2O3的质量比为100∶0.5～2∶0.5～3。优选地，所述步骤S1中，所述聚合物单体为丙烯酰胺，交联剂为N’N-亚甲基双丙烯酰胺，所述分散剂为JA-281，所述丙烯酰胺、N’N-亚甲基双丙烯酰胺和JA-281的质量体积比为1g～20g∶0.1g～2g∶20μL～1000μL；所述造孔剂为正己烷，所述正己烷在混合溶液中的质量分数为1wt%～20wt%。更优选地，所述正己烷在混合溶液中的质量分数为3wt%～10wt%，所述丙烯酰胺、N’N-亚甲基双丙烯酰胺和JA-281的质量体积比为1g～20g∶0.1g～2g∶20μL～1000μL。优选地，所述步骤S2中，所述引发剂为质量分数为15%的2,2’-偶氮（2-甲基丙基醚）二盐酸盐的水溶液，所述引发剂与混合固相的体积质量比为5μL～50μL∶1g。优选地，所述步骤S2中，所述pH调节剂为四甲基氢氧化铵，所述球磨的时间为2h～6h，所述搅拌的速率为800r/min～1200r/min。优选地，所述步骤S3中，所述注模成型的温度为50℃～120℃，注模成型保温固化的时间为10min～300min，所述排胶处理的具体步骤为：在600℃～800℃的温度下保温1h～6h。优选地，所述步骤S5中，所述除碳处理的具体步骤为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化硼‑氮化硅夹层宽频透波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将聚合物单体、交联剂、分散剂、造孔剂和去离子水混合，得到混合溶液；以氮化硅陶瓷粉体和烧结助剂I为混合固相，加入至混合溶液中进行球磨预处理，得到预混合浆液；S2、向步骤S1所得的预混合浆料加入pH调节剂至pH值为8.5～11.5，球磨，得到混合浆料，将所述混合浆料在搅拌条件下进行真空除气，加入引发剂混合，得到注模浆料；S3、将步骤S2所得的注模浆料进行注模成型，待浆料完全固化后进行脱模、干燥、排胶处理，得到多孔氮化硅坯体；S4、将步骤S3所得的多孔氮化硅坯体的上下表面铺排氮化硼混合粉，采用放电等离子烧结工艺进行烧结，得到夹层陶瓷；所述氮化硼混合粉为氮化硼和烧结助剂II；S5、将步骤S4所得的夹层陶瓷进行除碳处理，即得氮化硼‑氮化硅夹层宽频透波材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮化硼-氮化硅夹层宽频透波材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将聚合物单体、交联剂、分散剂、造孔剂和去离子水混合，得到混合溶液；以氮化硅陶瓷粉体和烧结助剂I为混合固相，加入至混合溶液中进行球磨预处理，得到预混合浆液；S2、向步骤S1所得的预混合浆料加入pH调节剂至pH值为8.5～11.5，球磨，得到混合浆料，将所述混合浆料在搅拌条件下进行真空除气，加入引发剂混合，得到注模浆料；S3、将步骤S2所得的注模浆料进行注模成型，待浆料完全固化后进行脱模、干燥、排胶处理，得到多孔氮化硅坯体；S4、将步骤S3所得的多孔氮化硅坯体的上下表面铺排氮化硼混合粉，采用放电等离子烧结工艺进行烧结，得到夹层陶瓷；所述氮化硼混合粉为氮化硼和烧结助剂II；S5、将步骤S4所得的夹层陶瓷进行除碳处理，即得氮化硼-氮化硅夹层宽频透波材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述放电等离子烧结工艺的具体步骤为：以10℃/min～200℃/min的升温速率升温至1400℃～2000℃进行放电等离子烧结，保温1min～60min后，随炉冷至室温，其中，烧结时的压力为10MPa～50MPa，烧结气氛为氮气、氦气、氩气或真空的一种。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述烧结助剂II为A12O3、Y2O3和B2O3，所述氮化硼与烧结助剂II中A12O3、Y2O3、B2O3的质量比为100∶0.1～10∶0.1～8∶0.1～3。4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述烧结助剂I为SiO2和Al2O3，所述氮化硅陶瓷粉体与烧结助剂I中S...

【专利技术属性】
技术研发人员：李端，李斌，于秋萍，高世涛，杨雪金，侯寓博，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43