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百科:氮化物陶瓷系高温透波材料


来源:中国粉体网   初末

[导读]  高温透波材料是保护飞行器在恶劣环境下通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作的一种多功能介质材料,在运载火箭、导弹及返回式卫星等飞行器无线电系统中得到广泛应用。

中国粉体网讯  高温透波材料是保护飞行器在恶劣环境下通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作的一种多功能介质材料,在运载火箭、导弹及返回式卫星等飞行器无线电系统中得到广泛应用。


随着现代战争的需要以及导弹技术的发展,飞行器的飞行马赫数不断提高,对雷达天线罩的耐高温抗烧蚀性能要求也日益提高。传统的石英陶瓷透波材料介电性能优异、抗热冲击性好,但使用温度低、韧性差、抗雨蚀性差,目前已基本到了其极限能力。氮化物系陶瓷材料具有耐高温、低介电、抗蠕变、抗热震、抗氧化等优异性能,成为理想的高温透波材料。


常用无机透波材料的介电性能




常用无机透波材料的优缺点



氮化物陶瓷


氮化硅


氮化硅是共价键化合物,属六方晶系,有α-晶型和β-晶型两种结构。两种晶型的化学成分和密度相同,均是六方体。不同的是α-晶型晶胞的c轴长度大约是β-晶型的2倍。由于Si-N高度共价的化学键结合强度高,属难烧结物质。根据制备方法的不同,将氮化硅陶瓷分为反应烧结氮化硅陶瓷和热压烧结氮化硅陶瓷两类。氮化硅具有良好的综合性能,即高强度、高硬度、耐高温、抗热震、耐雨蚀、抗氧化和相对适中的介电常数。


对于高马赫数导弹而言,烧结法制备的大多数氮化硅陶瓷的相对介电常数和介电损耗角正切仍然偏高,且因其脆性导致的灾难性损毁仍然制约着氮化硅陶瓷的应用。因此,进一步研究降低氮化硅透波材料的相对介电常数和介电损耗角正切,提高它的强度、韧性和抗雨蚀性,制备纤维、晶须或颗粒增韧的氮化硅基复合材料以及发展商品化的氮化硅纤维将是氮化硅透波材料的发展方向。


氮化硼


氮化硼是共价键化合物,有六方和立方两种晶型。六方晶系氮化硼具有类似于石墨的结构,具有润滑性且硬度低,被称为“白石墨”;立方晶系氮化硼与金刚石硬度相近,但比金刚石更耐高温和抗氧化。氮化硼陶瓷相对氮化硅陶瓷,具有更好的热稳定性和更低的相对介电常数、介电损耗,是为数不多的分解温度高达3000℃的耐高温化合物之一,而且在很宽的温度范围内具有稳定的热、电性能,但是其强度和弹性模量偏低、热导率较高、抗蚀性差,且由于制备工艺限制难以制备较大尺寸构件。因此,单纯的氮化硼陶瓷不宜用作高马赫天线罩透波材料,与其它材料复合是其研究的主要方向。


氮化铝


氮化铝属六方晶系纤锌矿结构,其N原子为六方密堆结构,而Al原子占据1/2四面体位置,氮化铝是一种性能优异的耐高温透波材料。对于高马赫数导弹来说,氮化铝由于相对介电常数偏高且抗氧化性较差,用作透波材料的研究日益减少。


塞隆陶瓷


在热压氮化硅中加入氧化铝,β-Si3N4晶型晶格中的Si4+和N3-可被Al3+和O2-所取代。以(Si,Al)、(O,N)四面体为结构单元形成一系列包括玻璃相和金相的新材料,称为塞隆(Sialon)。它兼具氮化硅、氧化铝、氧化硅等数种陶瓷的特性,并可通过改变其中某组分的含量来对材料的整体性能进行设计。其中,用作透波材料的主要是β-Sialon,它具有与β-Si3N4相同的晶体结构,但介电性能和烧结性能均比β-Si3N4有所提高。


氮化物材料的制备方法


烧结法


烧结法又可分为反应烧结、反应重烧结、热压烧结和热等静压烧结等几种,烧结法工艺简单、成熟、材料成本低,但制品性能差,不适合于高性能氮化物透波材料的制备。


PIP法


PIP法是新开发的陶瓷基复合材料制备方法,在制备SiC基、Si3N4基、BN基复合材料上得到应用。采用这种工艺方法时结构的可设计性好,材料组分的纯度高、性能好。缺点是合适的先驱体难以制备且价格昂贵,制备周期长,需要多次循环渗浸才能实现致密化;先驱体热处理过程中有很大的体积收缩,基体中裂纹较多。该工艺适合制备高性能的氮化物透波材料。


CVI法


CVI法起源于上世纪60年代中期,是在化学气相沉积的基础上发展起来的方法。CVI是将具有特定形状预置体置于沉淀炉中,通入的气态前驱体通过扩散、对流等方式进入预制体内部,在一定温度下发生复杂的化学反应,生成固态的陶瓷类物质并以陶瓷的方式沉积于增强相表面或孔隙中,随着沉积的增多,孔隙越来越小,最终成为连续相,即陶瓷基体。相对于其他工艺,CVI工艺具有制备温度低、成分结构可设计性好、适合制备构建(如天线罩等圆锥体)等许多优势,因而特别适合用来制备氮化物透波材料和天线罩,是高性能透波复合材料的首选技术。


参考资料:

王东、刘永胜等.氮化物高温透波材料及其应用研究进展

方震宇、曹峰.氮化物陶瓷系高温透波材料的研究进展

宋麦丽、傅利坤.高性能耐高温陶瓷透波材料的研究进展


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