[发明专利]耐高温高强韧性氮化硅基透波复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种耐高温高强韧性氮化硅基透波复合材料及制备方法，首先，采用凝胶注模成型制备多孔Si₃N₄晶须素坯，干燥排胶后获到多孔Si₃N₄预制体，采用化学气相渗透工艺(CVI)在该晶须预制体中制备氮化硼(BN)界面，并采用CVI工艺制备多层交替BN/Si₃N₄基体。针对高温透波天线罩结构和性能的设计需求，通过CVI调控实现多层交替BN/Si₃N₄基体各层微结构、层数和层厚的调控，以实现复合材料结构和性能的调控与优化，获得一种耐高温、高强高韧、宽频透波、热物理性能优良的Si₃N₄基透波复合材料。

技术领域

本发明属于氮化硅基透波复合材料技术，涉及一种耐高温高强韧性氮化硅基透波复合材料及制备方法。

背景技术

天线罩是保护导弹及其他航天器在恶劣环境条件下通讯、遥测、制导、引爆等系统免受环境影响的重要结构件，已在导弹、雷达及卫星等无线电系统中得到广泛应用。现代军事对高马赫数(Ma≥8)导弹及其他飞行器需求迫切，继而对天线罩提出了更苛刻的使用要求。天线罩的性能直接取决于所选材料，为实现飞行器的高马赫飞行和精确制导，要求天线罩材料必须能够集耐温、抗热冲击、承载、宽频透波、抗雨蚀等多功能于一体。

Si₃N₄材料具有相对低的密度、高强度、抗热冲击、抗雨蚀等优异性能，以及低的介电损耗、较低的介电常数等优良的介电性能，是理想的高温透波材料。固相烧结法(如反应烧结、热压烧结、热等静压烧结等)是目前制备Si₃N₄基天线罩最常用的方法。通常情况下，陶瓷材料的烧结温度高，烧结工艺控制难度大，机械加工较为困难，生产成本较高。采用烧结法制备的致密Si₃N₄材料虽具有较高的强度，但是韧性不足，而且介电常数偏高，无法满足高马赫数飞行器的使用要求。如齐共金等在文献“陶瓷基复合材料天线罩制备工艺进展”中采用热压烧结制得致密Si₃N₄材料，其密度3.2g/cm³，弯曲强度391MPa，介电常数7.9，力学性能优良，但介电常数偏高。通过改变成型工艺(如模压成型或3D打印成型)或引入造孔剂，采用烧结法制备的多孔Si₃N₄材料介电常数显著降低，但相关工艺过程对材料力学性能的提高不利。例如，张健等在“一种低介电常数、高强度多孔氮化硅透波陶瓷的制备方法”(CN200910150098.8)中以Si₃N₄粉体和金属氧化物为原料，采用冷压成型方法，在氮气气氛下烧结制得多孔Si₃N₄材料，其气孔率＞40％，弯曲强度＞71MPa，介电损耗＜6.5×10^-3，介电常数＜3.5，介电性能优良，但是强度有待提高。针对上述问题，迫切需要发展一种Si₃N₄材料的新型制备方法，其须具备制备温度低、工艺调控性和加工性好等特点，而且还能实现Si₃N₄材料的结构与性能优化，使Si₃N₄材料兼具高强韧性和宽频透波性，有效解决目前高温透波Si₃N₄材料的研究难题。