[发明专利]一种SiBON透波材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种SiBON透波材料的制备方法，属于航空材料技术领域。

背景技术

近年来，随着神州系列飞船不断升空，我国航天航空事业蓬勃发展，对各类航空航天材料的需求越来越大。其中，透波材料是制约航空航天技术发展的关键因素。透波材料是指可以透过波长在1-1000mm范围以内电磁波的材料，透过率要求达到70％。为保证内部器件能够正常工作，透波材料要求具有较好的介电性能、强度、断裂韧性、抗热震性以及耐冲蚀磨损性能。

目前，透波材料主要有以下几种：树脂基复合材料、氧化铝陶瓷材料、微晶玻璃材料、二氧化硅体系材料、磷酸盐材料、氮化物陶瓷材料等。树脂基复合材料的使用温度范围一般为100℃-400℃，但是高温下强度较低，不能应用于高速飞行的飞行器上；以二氧化硅为基体的透波材料有良好的抗热震性，介电常数也偏低，有利于内部天线的信号的接收，但是其室温强度不高；以氮化物为基体的透波材料具有较高的热稳定性，弯曲强度也可以达到100MPa-200MPa之间，介电常数为7-9，不利于内部天线的信号接收。虽然透波材料的种类繁多，但是目前适用于高超音速飞行器的透波材料还比较少。

氮化硼陶瓷透波材料具有强度、韧性较高以及介电常数相对较低等优点，但在高温下的透波率大大降低，无法满足高温下使用的条件；石英陶瓷透波材料各项性能都比较均衡，但是抗冲蚀磨损性能较差，制约了其应用。因此，Si-B-O-N材料作为一种新型透波材料的研究热点，不仅保持了SiO₂和BN优异介电性能的优点，而且使其力学性能在不同温度下保持稳定。Si-B-O-N材料的发展分为两步：已经较为成熟的SiO₂和BN复合材料和正在大力研究的SiBON材料。

因此，本发明在SiBON材料研究的基础上，提出了一种SiBON材料的新型制备方法。将正硅酸乙酯和硼酸反应的凝胶干燥后，使用金属硅粉在氮气气氛下高温还原，制备SiBON粉体，将粉体在保护气氛中烧结制备SiBON陶瓷材料。该方法对于制备高性能SiBON透波材料有重要的研究意义。

发明内容

本发明在针对SiBON材料研究的基础上，提出了一种SiBON材料的新型制备方法。通过控制正硅酸乙酯和硼酸的用量、金属硅粉的添加量和无压烧结的温度及保温时间来控制反应过程，获得SiBON粉体材料，然后采用干压成型法得到SiBON坯体，并在氮气气氛下进行高温煅烧，制备得到SiBON透波材料。本发明具有产物纯度高、介电性能优异、力学性能稳定等优点，在航空航天事业中天线罩等透波材料的中有广泛的应用。

本发明提出的一种SiBON材料的新型制备方法。其特征在于：以正硅酸乙酯、硼酸、金属硅粉为原料，将正硅酸乙酯缓慢滴加至硼酸溶液中，水浴磁力搅拌，滴加完成后静置成凝胶。在120℃恒温干燥箱中干燥，将干凝胶与金属硅粉进行配料、球磨、干压成型工艺制备坯体，在N₂气氛下，在1100℃-1500℃的温度下保温2h-6h，冷却至是室温后取出研磨并过200目筛，获得SiBON粉体。将粉体干压成型，成型压力为5MPa-30MPa，冷等静压压力为150MPa-200MPa，保压时间为10s-90s。将坯体放入氮气保护的气氛炉中，升温速度为5℃/min，在1400℃-1700℃温度下保温1h-10h后，自然冷却至室温后即可获得SiBON材料。

本发明提出的的一种高温固相法制备SiBON材料的方法，所述的工艺流程具体为：

1)将正硅酸乙酯缓慢滴加至1％-4.5％的硼酸溶液中，使用十二烷基笨磺酸钠做表面活性剂，在80℃水浴环境下进行搅拌，静置成胶。将凝胶置于120℃恒温干燥箱中干燥，干凝胶磨细待用。

2)使用10μm～45μm金属硅粉与上述干凝胶按化学反应式比例配料，装入行星式球磨机中干磨，粒径1h-24h至原料分散均匀。

3)将原料干压成型，将坯体放入氮气保护的气氛炉中，升温速度为1～10℃/min，在1100℃～1500℃下保温2h-6h后自然冷却至室温后取出，研磨并过200目筛。

4)将得到的粉体干压成型，压力为5MPa-30MPa，保压时间为60s。再将样品进行冷等静压，压力为150MPa-200MPa，保压时间为60s。

5)将坯体放入氮气保护的气氛炉中，升温速度为5℃/min，在1400℃-1700℃温度下烧结，并保温1h-10h，自然冷却至室温后即可获得SiBON材料。