一种氮化铝基吸波陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术属于无机非金属材料领域。本发明专利技术通过将ＣＮＴ加入到硫酸和硝酸的混酸溶液中室温超声处理后，水洗并干燥，再溶入无水乙醇中，加入聚乙烯吡咯烷酮，超声处理形成稳定的悬浊液，而后加入ＡｌＮ微粉和Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］，球磨，干燥，过筛，装入石墨磨具，并于放电等离子烧结炉中烧结得到ＡｌＮ－ＣＮＴ陶瓷。本发明专利技术所制备的ＡｌＮ－ＣＮＴ陶瓷在Ｋａ波段（２６．５～４０ＧＨｚ）具有高的热导率和优异的微波吸收性能，并且具有制备工艺简单、材料性能重复性好的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机非金属材料领域，具体涉及一种氮化铝基吸波陶瓷的 制备方法。
技术介绍
大功率微波电子管，如行波管、调速管、磁控管、回旋管等，是军事 技术和民用微波通讯领域的重要电子器件。吸波材料则是控制微波管输出 参数的关键材料，能够提供匹配的电磁终端、抑制微波管内自激震荡、消 除非设计模式的电磁波，展宽工作频带等。为了确保微波管在设计参数下稳定地工作，要求吸波材料的性能必须满足以下两个条件 一，在特定波段内满足一定的电磁参数，具有稳定的 微波吸收性能；二，具备高的热导率，使吸波材料在吸收微波后将热量迅 速传导出去。陶瓷基复合材料是国内外研制吸波材料的主要方向。利用材 料复合的基本规律，采用高热导率的陶瓷材料作为介质基体，与具有高的 电损耗或;兹损耗的材料经一定工艺复合而成，发挥不同组元的性能优势， 以达到兼顾优异的吸波性能和热传导性能的目的，同时保持出色的高温机 械性能和化学稳定性。由于磁损耗机制在高温下性能产生劣化，目前的高 损耗组元主要以由损耗机制的材料构成，包括W、 Mo、碳的各种同质异构体 如石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管(CNT)等，以及某些半导体材料如SiC、 Si-C-N、 Ti02、 TiC、 TiN、 TiB2等。高导热组元主要是Be0和A1N。 Be0基 吸波陶瓷是率先被开发并在大功率微波管中广泛使用的吸波材料。Be0能与 多种高损耗組元稳定共存，因此在特定波段能提供良好的吸波性能并保持 高的热导率，如已在微波管中使用的BeO-SiC陶瓷的热导率为130 W/m-K, X波段(8-12GHz)的损耗角正切值达到0. 25。然而，Be0本身有剧毒，在 整个材料生命周期中对人体及环境均会产生较大危害。随着各国对环境问3题日益关注，Be0陶资的生产和使用受到了极大的限制。与此同时，Be0的替代材料的研制开发则成为该领域的热点。可提供高热导率的另一种组元是氮化铝(A1N)。 A1N的理论热导率为320 W/m.K，目前已能够制备出热导率接近300 W/m'K的A1N陶瓷，作为散热基片的A1N陶瓷产品也能达到150 ~ 260 W/m.K。以A1N为基体的复相衰减陶瓷，具有适中的介电常数，在高真空环境下放气量小，与氧化物阴极有长期的兼容性，在IOOO 。C以上的高温下热稳定性和机械性能强，并且与无氧铜可形成气密封接，特别是A1N化学性质稳定、环境友好的优点，使其成为替代BeO的最佳候选材料。美国Maryland大学、海军研究室、Ceradyne公司等机构较早地开展了 A1N基吸波材料的研究。开发出以A1N为基体，以过渡金属的碳化物、氮化物或硼化物作为介电损耗组元的复相吸波陶瓷。材料的热导率达到95 ~ 105 W/nvK，而且介电性能与BeO-SiC十分相似，8 ~ 10GHz间损耗角正切值达到0. 4 ~ 0. 45，在X波4更基本可以取代Be0-SiC材料。然而，由于A1N陶瓷的热导率对杂质极为^t感，而大部分高损耗组元与A1N的高温化学相容性不佳。在引入高损耗组元烧结后，A1N晶格缺陷增加，晶粒接触面积减少，导致材料的热传导性能损失过大。如AlN-SiC吸波陶瓷的热导率仅能达到60W/m.K左右，比相应的Be0-SiC降低一半以上。因此，对于既能与A1N稳定共存又能产生高损耗的组元的遴选受到很大限制；另一方面，虽然Ceradyne公司已研制出替代BeO的A1N基高导热吸波陶瓷，但该产品仅能在X波段达到与BeO-SiC相当的性能。而在该波段以外，材料的损耗角正切值较小，无法满足微波管对吸波性能的要求。随着微波管工作频率朝着不断提高的方向发展，在高于X波段的其它波段，如K波段(12 40GHz)， A1N基吸波陶瓷仍无法替代相应的BeO基陶资。因此，寻求特定波段下合适的高损耗组元，或者改善高损耗组元与A1N基体间的化学相容性，以提高材料的综合性能，依然是A1N基吸波陶瓷研制的难点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题,提供一种在Ka波段(26. 5 ~40GHz)兼备高导热和高损耗的A1N基吸波陶瓷的制备方法。本专利技术所提供的方法是以碳纳米管(CNT)作为高损耗组元，引入到A1N基体中，采用放电等离子烧结制备出综合性能优异的A1N-CNT吸波陶资，具体步專聚如下1) 将CNT加入到体积比为3 : 1的硫酸和硝酸的混酸溶液中，在室温下超声处理5小时，过滤并用去离子水洗涤至中性，干燥；2) 将步骤1)中干燥后的CNT溶入无水乙醇中，加入占CNT重量l。/。的聚乙烯吡咯烷酮，超声处理形成稳定的CNT悬浊液；3 )将A1N微粉加入到步骤2 )的CNT悬浊液中，A1N和CNT的体积比为97 90: 3~10,再加入A1N与CNT重量之和3 ~ 10的y。Y20"球磨12小时，干燥，过100目筛网，装入石墨磨具；4)将装有物料的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，预先固定压强30MPa，抽真空至6Pa以下，通电加热，以100°C/min的速度升温到1600°C 180(TC进行烧结，烧结保温5 10分钟，随后以100°C/min的速度降温至80(TC时关闭电源，随炉冷却，获得致密的A1N-CNT陶资。本专利技术方法简单，重复性好，所制备的A1N-CNT陶瓷具有高的热导率和优异的微波吸收性能。热导率最高可达110W/m.K， Ka波段的介电常数为20 ~ 45损耗角正切值为0. 18 ~ 0. 66。以下结合具体实施方式对本专利技术作进一步说明。具体实施例方式实施例11)将直径为10 ~ 20nm、长度为5 ~ 15jom的CNT加入到体积比为3 1的硫酸、硝酸混酸溶液中，在室温下超声处理5小时，过滤并用去离子水洗涂至中性，干燥；2 )将步骤1)中干燥后的CNT溶入无水乙醇中，加入占CNT重量1%的聚乙烯吡咯烷酮，超声处理形成稳定的悬浊液；3 )将粒径为1.0-2. 0,的A1N微粉加入到步骤2 )的CNT悬浊液中，A1N和CNT的体积比为97: 3，再加入A1N与CNT重量之和3%的Y203，球磨12小时，干燥，过10G目筛网，装入石墨磨具；4)将装有物料的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，预先固定压强30MPa，抽真空至6Pa以下，通电加热，以100°C/min的速度升温到1700'C进行烧结，烧结保温5分钟，随后以10(TC/min的速度降温至800。C时关闭电源，随炉冷却，获得致密的A1N-CNT陶乾。测得热导率110 W/m.K, Ka波段的介电常数为20~25，损耗角正切值为0. 18 ~ 0. 27。实施例21 )将直径为20 ~ 40nm、长度为5 ~ 15,的CNT加入到体积比为3 : 1的硫酸、硝酸混酸溶液中，在室温下超声处理5小时，过滤并用去离子水洗涤至中性，干燥；2 )将步骤1)中干燥后的CNT溶入无水乙醇中，加入占CNT重量1%的聚乙烯吡咯烷酮，超声处理形成稳定的悬浊液；3 )将粒径为1. 0 ~ 2. O(im的A1N微粉加入到步骤2 )的CNT悬浊液中，A1N和CNT的体积比为95: 5,再加入A1N与CNT重量之和3%的Y203，球磨12小时，干燥，过100目篩网，装入石墨磨具；4)将装有物料的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，预先固定压强30MPa,抽真空至6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化铝基吸波陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：　１）将碳纳米管ＣＮＴ加入到体积比为３∶１的硫酸和硝酸的混酸溶液中，在室温下超声处理５小时，过滤并用去离子水洗涤至中性，干燥；　２）将步骤１）中干燥后的ＣＮＴ溶入无水乙醇 中，加入占ＣＮＴ重量１％的聚乙烯吡咯烷酮，超声处理形成稳定的ＣＮＴ悬浊液；　３）将ＡｌＮ微粉加入到步骤２）的ＣＮＴ悬浊液中，ＡｌＮ和ＣＮＴ的体积比为９７～９０∶３～１０，再加入ＡｌＮ与ＣＮＴ重量之和３～１０％的Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］，球 磨１２小时，干燥，过１００目筛网，装入石墨磨具；　４）将装有物料的石墨模具置于放电等离子烧结炉中，预先固定压强３０ＭＰａ，抽真空至６Ｐａ以下，通电加热，以１００℃／ｍｉｎ的速度升温到１６００℃～１８００℃进行烧结，烧结保温５～１０分钟 ，随后以１００℃／ｍｉｎ的速度降温至８００℃时关闭电源，随炉冷却。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永利，梁海龙，张久兴，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[]