一种钛化合物改性二氧化硅基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钛化合物改性二氧化硅基复合材料及其制备方法。该钛化合物改性二氧化硅基复合材料包括纤维增强织物和改性二氧化硅基体，所述改性二氧化硅基体为钛化合物改性二氧化硅基体，其中钛化合物均匀分布在纤维/基体的界面和基体内部。所述钛化合物改性二氧化硅基体由钛化合物改性硅溶胶制备得到，利用钛化合物的均匀掺杂提高纯二氧化硅基体的介电常数，同时保证复合材料具有优良的力学性能和耐高温性能。所述钛化合物改性硅溶胶，包括目标硅溶胶的制备以及钛化合物掺杂技术。本发明专利技术在不影响复合材料力学性能和耐温性的前提下，能够有效提高二氧化硅基复合材料的介电常数，可应用于耐高温微带共形天线基板等领域。可应用于耐高温微带共形天线基板等领域。可应用于耐高温微带共形天线基板等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种钛化合物改性二氧化硅基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种钛化合物改性二氧化硅基复合材料及其制备方法，属于复合材料


技术介绍

[0002]石英纤维增强二氧化硅基(SiO
2f
/SiO2)复合材料具有优良的力学性能和优异的透波性能，逐渐成为耐高温陶瓷天线罩的首选材料。表1为SiO
2f
/SiO2复合材料的基本性能数据。
[0003]表1SiO
2f
/SiO2复合材料的基本性能数据
[0004][0005]微带天线是一种将印制在微波介质陶瓷基板上的金属贴片作为辐射元而形成的一类天线，具有剖面薄，质轻，体积小等优点，可以方便地与飞行器、导弹等共形，并且极易实现与馈电网络和器件的集成。尤其当微带共形天线应用于机载/弹载高速飞行器时，需克服载体本身高速运动带来的各种热震环境，这就对微带天线基板的耐温性、介电性能、力学性能及热稳定性等提出了更高的要求。
[0006]石英纤维增强二氧化硅基复合材料作为微带天线基板，可以提供良好的高温力学性能，相比较传统的微波介质陶瓷，其韧性好、烧结温度低、后续加工处理容易，相比较传统高分子/磁性介质材料，耐温性明显提升。但SiO
2f
/SiO2复合材料的介电常数较低，限制了其作为微带天线基板的应用，主要是不利于器件的小型化。
[0007]综上，目前亟需一种提高SiO
2f
/SiO2复合材料介电常数的方法，制备介电常数更高的复合材料，满足微带天线基板对纤维增强的微波介质陶瓷的需求。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提高SiO2基复合材料的介电常数，提供一种力学性能优良、耐高温的钛化合物改性二氧化硅基复合材料及其制备方法。
[0009]本专利技术提供的一种钛化合物改性二氧化硅基复合材料，包括纤维增强织物和改性二氧化硅基体，所述改性二氧化硅基体为钛化合物改性二氧化硅基体，其中钛化合物均匀分布在纤维/基体的界面和基体内部。
[0010]可选地，所述纤维增强织物可以为采用不同陶瓷纤维通过不同编织方式制备的立
体织物，陶瓷纤维可以为石英纤维、高硅氧纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维、氮化物纤维等，织物结构可以是2.5D、针刺、缝合、三向正交结构等，纤维增强织物编织技术为本
公知技术。
[0011]可选地，所述钛化合物改性二氧化硅基体由钛化合物改性硅溶胶制备得到，利用钛化合物的均匀掺杂提高纯二氧化硅基体的介电常数，同时保证复合材料具有优良的力学性能和耐高温性能。
[0012]可选地，所述钛化合物改性硅溶胶，包括目标硅溶胶的制备以及钛化合物掺杂技术。
[0013]本专利技术还提供一种钛化合物改性二氧化硅基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]制备钛化合物改性硅溶胶；
[0015]对纤维增强立体织物进行预处理，去除其表面和内部的浸润剂；
[0016]利用钛化合物改性硅溶胶对去除浸润剂后的纤维增强立体织物进行浸渍处理；
[0017]对浸渍处理后的纤维增强立体织物进行干燥处理和高温热处理，得到钛化合物改性二氧化硅基复合材料。
[0018]优选地，所述制备钛化合物改性硅溶胶，包括：
[0019](1)选择合适的水玻璃，水玻璃模数一般为2～4，使用超纯水将水玻璃稀释至固含量＜5％，得到水玻璃溶液，依次经阳离子树脂交换和阴离子树脂交换处理，制备原硅酸溶液。阳离子树脂交换和阴离子树脂交换为本
公知技术，对阳离子树脂和阴离子树脂的牌号无特殊要求。
[0020](2)使用步骤(1)所述制备的原硅酸溶液作为反应底液，稀释至浓度＜2％，在搅拌的条件下，向反应底液加入碱性溶液调节pH值，随后加热到一定温度，保温>0.5h，然后开始向上述底液中分批投入步骤(1)制备的原硅酸溶液，控制每次投料量和投料时间间隔、以及投料次数，反应结束后制备得到淡蓝色至白色半透明的硅溶胶半成品。
[0021](3)将步骤(2)制备的硅溶胶半成品进行阳离子树脂交换，得到酸性硅溶胶半成品，pH值为3.5～5.0，然后进行超滤浓缩处理，得到目标硅溶胶，考虑实用性及存放稳定性问题，目标硅溶胶的质量浓度<40％，其中，超滤浓缩处理为本
公知技术。
[0022](4)在室温搅拌的情况下，向步骤(3)制备的目标硅溶胶中缓慢加入钛化合物纳米粉末，将所得钛化合物/硅溶胶悬浮液剧烈搅拌，并向所得钛化合物/硅溶胶混合体系中加入分散剂，混合均匀即可得到钛化合物改性硅溶胶。其中分散剂可以是市售粉体分散剂，例如牌号为AD8098的分散剂。
[0023]优选的，步骤(1)中水玻璃模数为3.0～3.6；
[0024]优选的，步骤(1)中稀释水玻璃固含量为0.5％～3％；
[0025]优选的，步骤(2)中反应底液浓度为0.1％～1.5％
[0026]优选的，步骤(2)中所述碱性溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、氨水、碳酸氢氨等无机碱溶液，碱性溶液浓度为0.5～1mol/L；
[0027]优选的，步骤(2)中调节反应底液pH值为9.0～11.0；
[0028]优选的，步骤(2)中反应温度为85～100℃；
[0029]优选的，步骤(2)中保温时间为0.5～2h；
[0030]优选的，步骤(2)中每次投料量为反应底液总质量的5％～20％，投料时间间隔以反应液面回到投料前初始液面为准，投料次数以总投料量为反应底液总质量的1～5倍为准；
[0031]优选的，步骤(3)中目标硅溶胶的质量浓度为10～30％；
[0032]优选的，步骤(4)中所述钛化合物选择介电常数较高、介电损耗较低的二氧化钛、钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅中的至少一种，但不限于这些化合物；
[0033]优选的，步骤(4)中所述钛化合物为市售纳米粉末，纳米粉体的真实粒径＜300nm，例如，0～100nm、100～200nm、200～300nm；
[0034]优选的，步骤(4)中钛化合物与目标硅溶胶中二氧化硅的质量比为1～15:10；
[0035]优选的，步骤(4)中剧烈搅拌时间为2～4h；
[0036]优选的，步骤(4)中分散剂A与混合体系质量比为1～5:1000。
[0037]优选的，所述纤维增强立体织物的预处理，是指纤维增强立体织物在使用前需要去除织物表面和内部的浸润剂，如采用酸洗、丙酮浸泡和高温热处理等方式去除增强织物表面及内部的浸润剂。
[0038]优选地，所述利用钛化合物改性硅溶胶对去除浸润剂后的纤维增强立体织物进行浸渍处理，包括：
[0039](1)将预处理后的纤维增强立体织物放在密闭的压力容器中，抽真空处理一定时间，使织物内部处于真空状态，然后向容器中缓慢注入第一步所制备的钛化合物改性硅溶胶，浸渍过程中保持压力容器中的真空状态不变，直到注满整个容器，之后继续抽真空，以充分排除基体内部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛化合物改性二氧化硅基复合材料，其特征在于，包括纤维增强织物和改性二氧化硅基体，所述改性二氧化硅基体为钛化合物改性二氧化硅基体，其中钛化合物均匀分布在纤维/基体的界面和基体内部。2.根据权利要求1所述的钛化合物改性二氧化硅基复合材料，其特征在于，所述钛化合物改性二氧化硅基体由钛化合物改性硅溶胶制备得到，利用钛化合物的均匀掺杂提高纯二氧化硅基体的介电常数，同时保证复合材料具有优良的力学性能和耐高温性能。3.一种钛化合物改性二氧化硅基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备钛化合物改性硅溶胶；对纤维增强立体织物进行预处理，去除其表面和内部的浸润剂；利用钛化合物改性硅溶胶对去除浸润剂后的纤维增强立体织物进行浸渍处理；对浸渍处理后的纤维增强立体织物进行干燥处理和高温热处理，得到钛化合物改性二氧化硅基复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述制备钛化合物改性硅溶胶，包括：(1)使用超纯水将水玻璃稀释至固含量＜5％，得到水玻璃溶液，依次经阳离子树脂交换和阴离子树脂交换处理，制备原硅酸溶液；(2)使用原硅酸溶液作为反应底液，稀释至浓度＜2％，在搅拌的条件下，向反应底液加入碱性溶液调节pH值，随后加热到一定温度，保温>0.5h，然后开始向反应底液中分批投入原硅酸溶液，控制每次投料量和投料时间间隔以及投料次数，反应结束后制备得到淡蓝色至白色半透明的硅溶胶半成品；(3)将硅溶胶半成品进行阳离子树脂交换，得到酸性硅溶胶半成品，pH值为3.5～5.0，然后进行超滤浓缩处理，得到目标硅溶胶；(4)在室温搅拌的情况下，向目标硅溶胶中缓慢加入钛化合物纳米粉末，将所得钛化合物/硅溶胶悬浮液剧烈搅拌，并向所得钛化合物/硅溶胶混合体系中加入分散剂，混合均匀后即得到钛化合物改性硅溶胶。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中水...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鸿超，张剑，高逸飞，刘一畅，于长清，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：