專利名稱：硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)硼酸鹽系晶須增強的用于制作天線罩的陶瓷透波材料及其制 備方法，屬于特種功能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
透波材料是研制天線罩的基礎(chǔ)，要滿足介電性能、力學(xué)性能、三防、壽命、工藝性和 重量等要求。材料的介電性能是選擇材料的主要依據(jù)，要求材料具有盡可能低的介電常數(shù) (ε < 10)和介電損耗。飛行器高速飛行時的氣動加熱，會在天線罩內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng) 力，因此，天線罩材料必須具有很低的線膨脹系數(shù)和優(yōu)良的抗熱沖擊的能力。同時，為了承 受飛行器高速飛行時由過載產(chǎn)生的各種應(yīng)力，所選用的天線罩材料強度要高，要具有一定 的剛性；而且，材料必須有足夠的強度、表面硬度和斷裂韌性，使其具有抗雨蝕和抗沙蝕能 力。一般材料在高溫工作條件下，其介電特性和強度可能會發(fā)生明顯的變化，因此，天線罩 材料的各項性能隨溫度變化的影響越小越好。用于制造天線罩、天線窗的透波材料主要有有機材料和無機非金屬材料兩大類。 有機類透波材料主要是指各種纖維增強的樹脂基體復(fù)合材料，這類材料的強度高、材料可 設(shè)計性強，但其應(yīng)用受到基體樹脂的耐熱性能的限制，只能應(yīng)用于低馬赫數(shù)飛行器上。無機 非金屬材料主要分為陶瓷材料、氧化硅基復(fù)合材料、氮化硼/氮化硅陶瓷和磷酸鹽基復(fù)合 材料。陶瓷材料主要優(yōu)點是強度高，硬度大，不存在雨蝕問題；缺點在于熱膨脹系數(shù)和彈性 模量高，導(dǎo)致抗熱沖擊性能差，工藝復(fù)雜。氧化硅基復(fù)合材料具有良好的介電性能，突出的 抗熱震性能和較低的密度；但其力學(xué)強度太低，抗雨蝕性能差，且呈脆性斷裂，從而限制了 其應(yīng)用。氧化氮陶瓷氮化硼/氮化硅陶瓷具有優(yōu)異的高溫強度和耐氧化穩(wěn)定性能，具有較 低的熱膨脹系數(shù)和良好的抗熱震性能，還具有優(yōu)異的抗核損傷性能以及介電性能和阻隔金 屬擴散的性能；但其制備工藝復(fù)雜，且產(chǎn)品價格昂貴限制了其應(yīng)用。磷酸鹽體系透波材料具 有介電性能優(yōu)異、生產(chǎn)成本低、成型工藝簡單、生產(chǎn)周期短的特點，是新一代天線罩材料的 首選。目前，磷酸鹽復(fù)合材料能夠獲得實際應(yīng)用的主要是硅質(zhì)纖維增強磷酸鋁、磷酸鉻及磷 酸鉻鋁復(fù)合材料。生產(chǎn)時，首先將纖維織物預(yù)處理，然后用磷酸鹽真空浸漬，最后在一定溫 度和壓力下固化成型。但是，在制備過程中需要控制合成磷酸鹽合適的摩爾比，并且選擇合 適的PH值對纖維進行保護處理，這對實際生產(chǎn)造成了不小的困難。專利200710016223. 7公開了一種陶瓷基透波材料及其制備方法，該發(fā)明以硼酸 鋁晶須增強磷酸鋁陶瓷透波材料，使該材料具有良好的力學(xué)和介電性能。但是該材料用在 高頻率電波和高速飛行器上有一定的不足。對于高頻率電波和高速飛行器而言，需要更高 的力學(xué)性能和更好的介電性能，介電性能越好越有利于提高接受和發(fā)射信號的靈敏度，另 夕卜，透波材料的密度越低越好，因此，它們對透波材料的密度、力學(xué)性能和介電性能提出了 更高的要求。此外，在該發(fā)明的制備方法中，壓制燒結(jié)時易出現(xiàn)變形甚至開裂現(xiàn)象，影響材 料的成品率和性能質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述不足，提供了一種硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波材料，該材料具有更好的成型性，其耐熱性、耐燒蝕性、力學(xué)性能和介電性能也很好。除此以 夕卜，本發(fā)明還提供了該硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波材料的制備方法，該方法操作 簡單，易于生產(chǎn)實施。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波材料，由磷酸鋁粉體、硼酸鋁晶須和硼 酸鎂晶須配制而成，原料重量百分配比為硼酸鋁晶須20 40%，硼酸鎂晶須5 30%，磷 酸鋁30% 75%。上述原料的優(yōu)選重量百分配比為硼酸鋁晶須20 30%，硼酸鎂晶須5 15%， 磷酸鋁50% 70%。上述硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波材料的制備方法，包括以下步驟(1)混料按配比稱取硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須和磷酸鋁，將它們與適量的蒸餾水 混合成漿料，進行球磨混料；(2)烘干將料球自漿料中濾出，然后將漿料烘干；(3)造粒將烘干的原料放入研缽中，逐滴加入聚乙烯醇溶液的同時不斷研磨，然 后放入30 40目的標(biāo)準(zhǔn)篩中過篩，將篩余存放，不成粒的繼續(xù)研磨，至全部成粒，然后將成 粒的原料放入密封的試樣袋中陳腐。(4)成型將陳腐后的原料冷壓成型；(5)干燥將壓制好的試樣進行干燥；(6)燒結(jié)將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，然后自然冷卻至室溫，得到透波材料。步驟(1)中，所用料球為剛玉球，球磨時間為10 30分鐘，球磨機轉(zhuǎn)速為200 300轉(zhuǎn)/分鐘。所用球磨機可選用高能行星式球磨機。步驟(2)中烘干溫度為60 90°C。步驟(3)中聚乙烯醇溶液的質(zhì)量濃度為5%，用量為原料重量的7 10%，陳腐時 間為24小時。步驟(4)中冷壓成型的設(shè)備為冷等靜壓機，壓強為100 200MPa，保壓時間為1 5分鐘。步驟(5)中干燥溫度為60 90°C，干燥時間為24小時。步驟(6)中燒結(jié)溫度為850 1300°C，燒結(jié)時間為1 2小時。硼酸鋁晶須與硼酸鎂晶須具有相似的性質(zhì)較低的介電常數(shù)，高的彈性模量，良好 的力學(xué)強度，耐熱性，耐化學(xué)藥品性，耐酸性，電絕緣性和中子吸收性能，另外具有更低的密 度，符合作為本發(fā)明材料增強相的的要求。這兩種晶須作為增強體，改善了單一用硼酸鋁晶 須做增強體透波材料的性能，且硼酸鎂晶須價格相對較低，有利于降低生產(chǎn)成本。研究表明，采用兩種或兩種以上纖維增強、即混雜纖維增強可以改善單一纖維增 強復(fù)合材料的力學(xué)等性能。本發(fā)明選用硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須作為增強體，克服了單一纖 維增強材料的缺點，使透波材料顯示出更好的綜合性能。本發(fā)明人經(jīng)過大量實驗得出，采用 硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須作為增強體比單獨采用硼酸鋁晶須纖維增強的磷酸鋁基體材料具 有更高的力學(xué)性能、更好的成型性和介電性能，添加硼酸鎂晶須也有效降低了材料的密度。經(jīng)試驗檢測，本發(fā)明材料的技術(shù)性能指標(biāo)為密度1. 50 2. 40g/cm3，室溫抗彎強度130 320MPa，維氏硬度100 330MPa，熱膨脹系數(shù)3 5X 10_6/°C，介電常數(shù)2. 50 4. 20，介電損耗角正切值0. 01 0. 03。本發(fā)明的透波材料具有更好的成型性，燒結(jié)時不會出現(xiàn)變形或者開裂現(xiàn)象，其耐 熱性、耐燒蝕性、力學(xué)性能和介電性能也很好，滿足透波應(yīng)用要求，能用在高頻率電波和高 速飛行器上。本發(fā)明的透波材料的制備方法，操作簡單，易于生產(chǎn)實施。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做具體的說明，并與同樣比例硼酸鋁晶須增強的磷 酸鋁陶瓷透波材料的性能進行了對比。如無其他說明，組成配比均為質(zhì)量百分比。實施例1原料的組成配比為20%硼酸鋁晶須，10%硼酸鎂晶須，其余為磷酸鋁及其它不可 避免的雜質(zhì)，總質(zhì)量為100克。按配比稱取硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須、磷酸鋁，然后與適量的蒸餾水混合成漿料， 進行球磨混料，球磨時間為15分鐘，球磨機轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從硼酸鋁晶 須、硼酸鎂晶須、磷酸鋁及蒸餾水的混合物中濾出，將混好的原料放入干燥箱中烘干，溫度 為70°C;將干燥后的原料破碎，并逐滴加入濃度為5%的聚乙烯醇溶液(加入量為原料重量 的8% )，同時不斷研磨，然后放入35目標(biāo)準(zhǔn)篩中過篩，之后將原料放入密封的試樣袋中陳 腐24小時；將陳腐后的原料冷等靜壓成型，壓強為lOOMPa，保壓時間為2分鐘；將壓制好的 試樣放入干燥箱中干燥24小時，加熱溫度80°C ；將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，燒結(jié)溫度 為1050°C，保溫時間為1小時，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成硼酸 鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波材料。該透波材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度2. 06g/cm3,維氏硬度312MPa，抗彎強度 234MPa，介電常數(shù)3. 04，介電損耗角正切值0. 02632。對比例采用30%硼酸鋁晶須、其余為磷酸鋁的成分比例，采用其制備工藝制備 質(zhì)量為100克試樣，該材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度2. 15g/cm3，維氏硬度231MPa，抗彎強度 213MPa，介電常數(shù)4. 26，介電損耗角正切值0. 02468。實施例2原料的組成配比為20%硼酸鋁晶須，10%硼酸鎂晶須，其余為磷酸鋁及其它不可 避免的雜質(zhì)，總質(zhì)量為100克。按照上述組成配比和實施例1同樣的制備工藝步驟和參數(shù)進行球磨，干燥，造粒， 成型，燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1150°C。經(jīng)以上工藝過程，制成硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透 波材料。該透波材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度1.89g/cm3，維氏硬度257MPa，抗彎強度 154MPa，介電常數(shù)3. 24，介電損耗角正切值0. 02043。實施例3原料的組成配比為20%硼酸鋁晶須，15%硼酸鎂晶須，其余為磷酸鋁及其它不可 避免的雜質(zhì)，總質(zhì)量為100克。
按照上述組成配比和實施例1同樣的制備工藝步驟和參數(shù)進行球磨，干燥，造粒，成型，燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1050°C。經(jīng)以上工藝過程，制成硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透 波材料。該透波材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度1.91g/cm3，維氏硬度183. 7MPa，抗彎強度 158MPa，介電常數(shù)2. 97，介電損耗角正切值0. 01706。對比例采用20%硼酸鋁晶須、其余為磷酸鋁的成分比例，采用其制備工藝制備 質(zhì)量為100克試樣，燒結(jié)溫度為1050°C。合格材料的測試技術(shù)指標(biāo)為維氏硬度168MPa，抗 彎強度178MPa，介電常數(shù)3. 21，介電損耗角正切值0. 02864。實施例4原料的組成配比為30%硼酸鋁晶須，15%硼酸鎂晶須，其余為磷酸鋁及其它不可 避免的雜質(zhì)，總質(zhì)量為100克。按配比稱取硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須、磷酸鋁，然后與適量的蒸餾水混合成漿料， 用高能行星式球磨機進行球磨混料，所用料球為剛玉球，球磨時間為30分鐘，球磨機轉(zhuǎn)速 為200轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須、磷酸鋁及蒸餾水的混合物中濾出， 將混好的原料放入干燥箱中烘干，溫度為60°C ；將干燥后的原料破碎，并逐滴加入濃度為 5%的聚乙烯醇溶液(加入量為原料重量的10%)，同時不斷研磨，然后放入40目標(biāo)準(zhǔn)篩中 過篩，之后將原料放入密封的試樣袋中陳腐24小時；將陳腐后的原料冷等靜壓成型，壓強 為150MPa，保壓時間為5分鐘；將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥24小時，加熱溫度90°C; 將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為850°C，保溫時間為2小時，然后在爐內(nèi)自然冷 卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成硼酸鹽系晶須增強磷酸鋁陶瓷透波材料。該透波材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度1.82g/cm3，維氏硬度184MPa，抗彎強度 185MPa，介電常數(shù)2. 97，介電損耗角正切值0. 02706。對比例采用30%硼酸鋁晶須、其余為磷酸鋁的成分比例，采用其制備工藝制備 質(zhì)量為100克試樣，燒結(jié)溫度950°C。材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度2. 12/cm3，維氏硬度 168MPa，抗彎強度178MPa，介電常數(shù)3. 81，介電損耗角正切值0. 02864。實施例5原料的組成配比為40%硼酸鋁晶須、10%%硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不 可避免的雜質(zhì)，總質(zhì)量為100克。按配比稱取硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須、磷酸鋁，然后與適量的蒸餾水混合成漿料， 進行球磨混料，球磨時間為30分鐘，球磨機轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從硼酸鋁晶 須、硼酸鎂晶須、磷酸鋁及蒸餾水的混合物中濾出，將混好的原料放入干燥箱中烘干，溫度 為90°C;將干燥后的原料破碎，并逐滴加入濃度為5%的聚乙烯醇溶液(加入量為原料重量 的7% )，同時不斷研磨，然后放入30目標(biāo)準(zhǔn)篩中過篩，之后將原料放入密封的試樣袋中陳 腐24小時；將陳腐后的原料冷等靜壓成型，壓強為200MPa，保壓時間為1分鐘；將壓制好的 試樣放入干燥箱中干燥24小時，加熱溫度60°C ；將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，燒結(jié)溫度 為1300°C，保溫時間為1小時，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成硼酸 鹽系晶須增強磷酸鋁陶瓷透波材料。該透波材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度1.79g/cm3，維氏硬度108MPa，抗彎強度 125MPa，介電常數(shù)2. 71，介電損耗角正切值0. 01022。
對比例采用50%硼酸鋁晶須、其余為磷酸鋁的成分比例，采用其制備工藝制備 質(zhì)量為100克試樣，燒結(jié)溫度950 V。材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度1. 85/cm3,維氏硬度 57MPa，抗彎強度108MPa，介電常數(shù)2. 81，介電損耗角正切值0. 01036。實施例6原料的組成配比為25%硼酸鋁晶須、5%硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不可 避免的雜質(zhì)，總質(zhì)量為100克。按照本組成配比制備硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波 材料，除球磨時間為20分鐘外，其它步驟和條件與實施例1相同。該透波材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度1.96g/cm3，維氏硬度280MPa，抗彎強度 218MPa，介電常數(shù)3. 91，介電損耗角正切值0. 0257。對比例采用30%硼酸鋁晶須、其余為磷酸鋁的成分比例，采用其制備工藝制備 質(zhì)量為100克試樣，該材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度2. 03g/cm3，維氏硬度231MPa，抗彎強度 213MPa，介電常數(shù)4. 26，介電損耗角正切值0. 02468。實施例7
原料的組成配比為20%硼酸鋁晶須、30%硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不可 避免的雜質(zhì)，總質(zhì)量為100克。按照本組成配比制備硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波 材料，除球磨時間為20分鐘外，其它步驟和條件與實施例1相同。該透波材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度1.66g/cm3，維氏硬度122MPa，抗彎強度 132MPa，介電常數(shù)2. 87，介電損耗角正切值0. 01788。對比例采用50%硼酸鋁晶須、其余為磷酸鋁的成分比例，采用其制備工藝制備 質(zhì)量為100克試樣，該材料的測試技術(shù)指標(biāo)為密度1. 68g/cm3，維氏硬度57MPa，抗彎強度 112MPa，介電常數(shù)2. 82，介電損耗角正切值0. 01036。
權(quán)利要求
一種硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波材料，其特征是由磷酸鋁粉體、硼酸鋁晶須和硼酸鎂晶須配制而成，原料重量百分配比為硼酸鋁晶須20～40％，硼酸鎂晶須5～30％，磷酸鋁30％～75％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷酸鋁陶瓷透波材料，其特征是所述原料的重量百分配比 為硼酸鋁晶須20 30%，硼酸鎂晶須5 15%，磷酸鋁50% 70%。
3.—種權(quán)利要求1所述的硼酸鹽系晶須增強的磷酸鋁陶瓷透波材料的制備方法，其特 征是包括以下步驟(1)混料按配比稱取硼酸鋁晶須、硼酸鎂晶須和磷酸鋁，將它們與適量的蒸餾水混合 成漿料，進行球磨混料；(2)烘干將料球自漿料中濾出，然后將漿料烘干；(3)造粒將烘干的原料放入研缽中，逐滴加入聚乙烯醇溶液的同時不斷研磨，然后放 入30 40目的標(biāo)準(zhǔn)篩中過篩，將篩余存放，不成粒的繼續(xù)研磨，至全部成粒，然后將成粒的 原料放入密封的試樣袋中陳腐。(4)成型將陳腐后的原料冷壓成型；(5)干燥將壓制好的試樣進行干燥；(6)燒結(jié)將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，然后自然冷卻至室溫，得到透波材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透波材料的制備方法，其特征是步驟(1)所用料球為剛玉 球，球磨時間為10 30分鐘，球磨機轉(zhuǎn)速為200 300轉(zhuǎn)/分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的透波材料的制備方法，其特征是步驟(1)所用球磨機 為高能行星式球磨機。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透波材料的制備方法，其特征是步驟(2)中烘干溫度為 60 90°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透波材料的制備方法，其特征是步驟(3)中聚乙烯醇溶液 的質(zhì)量濃度為5%，用量為原料重量的7 10%，陳腐時間為24小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透波材料的制備方法，其特征是步驟(4)中冷壓成型的設(shè) 備為冷等靜壓機，壓強為100 200MPa，保壓時間為1 5分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透波材料的制備方法，其特征是步驟(5)中干燥溫度為 60 90°C，干燥時間為24小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透波材料的制備方法，其特征是步驟(6)中燒結(jié)溫度為 850 1300°C，燒結(jié)時間為1 2小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種經(jīng)硼酸鹽系晶須增強的用于制作天線罩的陶瓷透波材料，屬于特種功能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。該陶瓷透波材料由磷酸鋁粉體、硼酸鋁晶須和硼酸鎂晶須配制而成，原料重量百分配比為硼酸鋁晶須20～40％，硼酸鎂晶須5～30％，磷酸鋁30％～75％。本發(fā)明還公開了本透波材料的制備方法，步驟為將各原料按配比與蒸餾水混合成漿料，采用球磨法均勻混合，采用冷等靜壓成型方法成型，在常壓下高溫?zé)Y(jié)成型。本發(fā)明的材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能、介電性能和良好的成型性，能夠滿足透波應(yīng)用要求，制備方法簡單易行，便于實施。
文檔編號C04B35/447GK101817690SQ20101010699
公開日2010年9月1日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者侯憲欽, 劉文娟, 張明習(xí), 王河, 耿浩然 申請人:濟南大學(xué)