氮化硅陶瓷及其孔隙梯度結(jié)構(gòu)天線罩材料的制備研究.pdf

1、天線罩是保護(hù)天線系統(tǒng)免受外部環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)物，它在電氣上具有良好的電磁波透過(guò)性能，在結(jié)構(gòu)上能經(jīng)受外部惡劣環(huán)境的作用。本論文針對(duì)高馬赫數(shù)、寬頻帶高透波率天線罩材料的要求，通過(guò)對(duì)主要陶瓷基天線罩材料的性能比較和應(yīng)用現(xiàn)狀分析，確定了以氮化硅（Si3N4）陶瓷，特別是α-Si3N4，作為高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩的首選材料：通過(guò)對(duì)天線罩壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，首次提出采用孔隙梯度結(jié)構(gòu)拓寬透波頻帶，從而使天線罩材料不僅滿足高馬赫數(shù)飛行的要求，還具有寬頻

2、帶高透波率特性。 首先，研究以α-Si3N4為主相的Si3N4基陶瓷材料的低溫致密化。采用MgO和A1PO4，MgO和Al2O3兩種燒結(jié)助劑體系，利用放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)，制備了以α-Si3N4為主相的致密的Si3N4基陶瓷材料，對(duì)SPS實(shí)驗(yàn)工藝和低溫致密化燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行了研究并且測(cè)試了燒結(jié)后Si3N4基陶瓷的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)，并對(duì)材料的力學(xué)性能、介電性能和熱學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，重點(diǎn)研究了燒結(jié)助劑對(duì)Si3N4基陶瓷材料致密

3、化燒結(jié)機(jī)制和材料各項(xiàng)性能的影響。研究表明：采用MgO和A1PO4作為燒結(jié)助劑的Si3N4基陶瓷材料的初始燒結(jié)溫度大約為1100℃，燒結(jié)完成溫度為1400℃，燒結(jié)機(jī)理為A1PO4的固相燒結(jié)為主，并伴隨有少量液相燒結(jié)，通過(guò)控制燒結(jié)助劑含量，在燒結(jié)溫度為1400～1500℃的范圍內(nèi)，制備得到了致密度大于95%的以α-Si3N4為主相的Si3N4基陶瓷材料，且致密材料的抗彎強(qiáng)度最大為420MPa，介電常數(shù)約為7，介電損耗小于10×10-3，熱膨

4、脹系數(shù)為3～5×10-6/℃，通過(guò)調(diào)配A1PO4含量，可以有效控制和降低Si3N4陶瓷的熱膨脹系數(shù)；采用MgO和Al2O3作為燒結(jié)助劑的Si3N4基陶瓷材料的初始燒結(jié)溫度大約為1200℃，一旦溫度超過(guò)這一溫度點(diǎn)，樣品便開(kāi)始迅速收縮，燒結(jié)機(jī)理為液相燒結(jié)，只有當(dāng)Al2O3含量為8wt．%，燒結(jié)溫度高于1450℃時(shí)_才能夠得到致密的以α-Si3N4為主相的Si3N4基陶瓷材料，致密材料的抗彎強(qiáng)度最大為350MPa，介電常數(shù)約為8，介電損耗大于

5、10×10-3，熱膨脹系數(shù)為6～7×10-6/℃，熱膨脹系數(shù)較高且不可控，不適于用作天線罩材料。 其次，通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備了具有不同孔隙率且孔隙率可控的Si3N4基多孔陶瓷。分別采用磷酸鋯（ZrP2O7）和磷酸硅（SiP2O7）作為結(jié)合劑，利用無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)，在較低燒結(jié)溫度下制備了具有高孔隙率、高強(qiáng)度、低介電常數(shù)且孔隙率與介電常數(shù)可控的Si3N4基多孔陶瓷，并系統(tǒng)地研究了材料的燒結(jié)機(jī)理、孔隙結(jié)構(gòu)控制方法和力學(xué)、介電及熱學(xué)性能。研究表明：

6、ZrP2O7結(jié)合S13N4多孔陶瓷的孔隙率為33～47%，可以通過(guò)調(diào)配ZrP2O7的含量精確控制材料的孔隙率；材料的抗彎強(qiáng)度為40～114MPa，并且呈隨孔隙率增大而減小的指數(shù)變化關(guān)系，介電常數(shù)為3．2～4．8，且與孔隙率呈Maxwell理論關(guān)系變化，介電損耗小于6×10-3。SiP2O7結(jié)合Si3N4多孔陶瓷的孔隙率為42～63%，抗彎強(qiáng)度為50～120MPa，在滿足相同的力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)，比ZrP2O7結(jié)合Si3N4多孔陶瓷具有更高的

7、孔隙率，材料的介電常數(shù)為2．2～3．8，且與孔隙率關(guān)系密切，介電損耗小于5×10-3。ZrP2O7結(jié)合Si3N4多孔陶瓷比SiP2O7結(jié)合Si3N4多孔陶瓷的蠕變速率高出近2個(gè)數(shù)量級(jí)，后者具有更好的抗熱震性能。 然后，在Si3N4基致密陶瓷材料和多孔陶瓷的研究基礎(chǔ)上，依據(jù)天線罩對(duì)寬頻帶透波性能的要求，采用微波傳輸線等效模型和四端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算法，通過(guò)建立多層梯度結(jié)構(gòu)天線罩材料的物理模型和數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了其寬頻帶透波率，通過(guò)優(yōu)化各層材

8、料的結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)，確定了在1～18GHz范圍內(nèi)滿足高透波率要求的最優(yōu)物性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究表明：最內(nèi)層介電常數(shù)εn<2．5，最外層介電常數(shù)εl<8，梯度結(jié)構(gòu)層數(shù)為N>5，結(jié)構(gòu)因子p>4，厚度d<7mm，材料在1～18GHz頻帶范圍內(nèi)的透波率大于70%。 最后，根據(jù)透波性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，分別選擇了滿足設(shè)計(jì)要求的Si3N4基陶瓷材料，采用磷酸鹽膠黏劑制備了孔隙率為3～63%的孔隙梯度結(jié)構(gòu)Si3N4基陶瓷平板天線罩材料并對(duì)1