氮化硅基多孔透波材料制備及其性能表征.pdf

1、氮化硅陶瓷是結(jié)構(gòu)陶瓷中綜合性能最好的材料之一，它既具有優(yōu)于一般陶瓷材料的機(jī)械性能、很高的熱穩(wěn)定性，又有較低的介電常數(shù)，其抗雨蝕、沙蝕能力優(yōu)于其它天線罩材料。以氮化硅為基體的多孔陶瓷復(fù)合材料具有較低的介電常數(shù)、較低的密度，能夠滿足高速飛行器飛行過程中的信號傳遞功能，又能夠通過多體系材料設(shè)計與相關(guān)試驗(yàn)克服氮化硅陶瓷本身的脆性弱點(diǎn)。本文以氮化硅、氮化硼以及二氧化硅為初始原料，主要從介電性能理論預(yù)測、材料體系組成試驗(yàn)、制備工藝研究、性能影響因素

2、試驗(yàn)分析等四個方面對氮化硅基多孔陶瓷復(fù)合材料展開研究。
　　首先，通過對電磁波在材料中的傳播分析，深入研究了材料與結(jié)構(gòu)透波影響因素。并進(jìn)一步通過蒙特卡洛理論與有限元方法相結(jié)合，運(yùn)用計算結(jié)構(gòu)電容的方法對多孔陶瓷復(fù)合材料的相對介電常數(shù)進(jìn)行了理論預(yù)測計算，通過擬合分析以及與相對介電常數(shù)串聯(lián)模型、并聯(lián)模型以及對數(shù)模型比較，從而給出了三相多孔材料相對介電常數(shù)預(yù)測公式。通過有限元數(shù)值模擬手段分析了介電常數(shù)對結(jié)構(gòu)透波性能的影響。研究結(jié)果表明，氮

3、化硅基多孔復(fù)合材料在電磁理論分析時隸屬于連續(xù)隨機(jī)材料，馬爾可夫近似過程以及微擾法能夠描述其微觀透波過程，材料本身的介電常數(shù)對其組成結(jié)構(gòu)透波性能影響最大。三相復(fù)合材料體系相對介電常數(shù)滿足對數(shù)模型，建立的三相多孔復(fù)合材料相對介電常數(shù)預(yù)測公式與有限元方法的計算結(jié)果相一致。數(shù)值模擬結(jié)果顯示材料介電常數(shù)越大，結(jié)構(gòu)微波透過率越低，這與在天線罩材料設(shè)計中選用介電常數(shù)較低的材料體系理論相符合。
　　其次，針對氮化硅、氮化硼以及二氧化硅成型為混合均

4、勻復(fù)合材料問題，對初始原料的粒徑、形貌進(jìn)行了試驗(yàn)研究。并且分別通過添加炭粉以及淀粉作造孔劑的初步試驗(yàn)制備，確立了以淀粉作為造孔劑和粘接劑，采用淀粉固結(jié)工藝制備氮化硅基多孔復(fù)合材料坯體工藝過程。就淀粉固結(jié)工藝，試驗(yàn)研究了原材料的Zeta電位以及混合漿料的流變特性，建立了混合陶瓷漿料體系的流變模型，分析了分散劑PEI對混合陶瓷漿料體系粘度的影響，并最終確立了氮化硅、氮化硼、二氧化硅以及水的最佳配比。分別采用真空燒結(jié)、氣氛燒結(jié)以及常壓燒結(jié)工藝

5、制備氮化硅基多孔陶瓷復(fù)合材料，分析了每種工藝制備的多孔陶瓷物相組成，通過燒結(jié)后樣品的表觀分析，最終確定低溫常壓燒結(jié)為本研究材料體系的燒結(jié)工藝。
　　再次，通過試驗(yàn)以及理論分析深入研究了淀粉固結(jié)化學(xué)機(jī)理以及淀粉固結(jié)工藝制備氮化硅基多孔復(fù)合材料坯體的過程，得出了陶瓷漿料與玉米淀粉混合體系中水含量以及溫度機(jī)制對坯體成型的影響，通過多次試驗(yàn)確定了坯體成型的最佳條件為水含量為50％，成型過程采用90℃1h，而后直接進(jìn)行脫水。對氮化硅基多孔陶

6、瓷材料的常壓燒結(jié)過程進(jìn)行了探討，其燒結(jié)原理為氮化硅在低溫時體系中氮化硅氧化產(chǎn)生液相，而氮化硼則沒有氧化，產(chǎn)生的液相二氧化硅作為高溫粘接劑能夠促進(jìn)多孔陶瓷成型，并使其具有一定強(qiáng)度。XRD以及SEM測試分析了保溫時間對氮化硅基多孔陶瓷材料成型的影響，試驗(yàn)分析結(jié)果表明，燒結(jié)體在1100℃保溫時間為5h時，燒結(jié)情況最好，并且連接緊密，微觀結(jié)構(gòu)無缺陷。
　　最后，通過試驗(yàn)對顯氣孔隙率對氮化硅基多孔復(fù)合材料力學(xué)性能的影響以及顯孔隙率、孔隙尺寸

7、分布、頻率以及溫度等因素對氮化硅基多孔復(fù)合材料介電性能的影響進(jìn)行了討論分析。結(jié)果表明，顯氣孔隙率越大，其力學(xué)性能越低，并給出了相應(yīng)的顯氣孔隙率與力學(xué)性能關(guān)系模型。在一定溫度以及頻率下，顯氣孔隙率對介電常數(shù)在一定范圍內(nèi)影響很大，能夠降低成型的燒結(jié)體的介電常數(shù)，在該條件下影響介電常數(shù)的另一因素是孔隙尺寸分布，孔隙尺寸分布范圍大，體系介電常數(shù)會有一定程度提高，以RIR法計算的物相質(zhì)量組成為條件，對多孔陶瓷體系的介電常數(shù)進(jìn)行了理論與試驗(yàn)結(jié)果對比