專利名稱：一種碳化硅復合材料的吸波陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及到雷達吸波陶瓷領域，具體涉及一種多層結(jié)構的碳化硅復合材料的吸波陶瓷及其制備方法。
背景技術：
目前研制的雷達吸波陶瓷材料主要以陶瓷微粉為雷達吸收劑，采用熱壓工藝制備而成，如Si/C/N陶瓷顆粒增強LAS玻璃、莫來石、Si3N4等陶瓷材料，但此類材料存在以下不足1)介電性能難以實現(xiàn)梯度分布，雷達吸波頻段較窄；2)顆粒增強陶瓷材料韌性較差， 易發(fā)生災難性破壞；3)熱壓工藝難以制備大型復雜構件。而連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料具有耐高溫、抗氧化、高比強度、高比模量、高韌性等優(yōu)點，并且易于成型大型復雜構件，但目前研制的連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅(SiCf/SiC)復合材料以及連續(xù)碳纖維增強碳化硅 (Cf/SiC)復合材料主要用于熱防護、熱結(jié)構，由于未進行必要的介電性能改性，雷達吸波性能不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有較寬吸收頻段、較好的力學性能和防熱功能的碳化硅復合材料的吸波陶瓷，并相應提供制備該碳化硅復合材料的吸波陶瓷的方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案一種碳化硅復合材料的吸波陶瓷，為一包括匹配層、損耗層、介質(zhì)層和反射層的多功能層疊加型結(jié)構，其中，所述的匹配層、損耗層以及介質(zhì)層均由連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料構成，所述反射層由連續(xù)碳纖維增強碳化硅基復合材料構成，充當各功能層中增強材料的連續(xù)碳化硅纖維及連續(xù)碳纖維均具有不同的電阻率。作為對上述技術方案的進一步改進，外層匹配層中的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率最大，內(nèi)層反射層中連續(xù)碳纖維的電阻率最小，緊鄰匹配層的損耗層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率小于緊鄰反射層的介質(zhì)層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率。上述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷，所述匹配層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率優(yōu)選為105Ω · cm 106Ω · cm，所述損耗層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率優(yōu)選為0.8 Ω · cm 1.2Ω · cm，所述介質(zhì)層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率優(yōu)選為104Ω · cm 105Ω · cm，所述反射層中連續(xù)碳纖維的電阻率優(yōu)選為10_3Ω · cm 10_2Ω · cm。上述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷，所述匹配層的厚度優(yōu)選為2. Omm 2. 3mm,所述損耗層的厚度優(yōu)選為0. 3mm 0. 4mm，所述介質(zhì)層的厚度優(yōu)選為2. 3mm 2. 5mm，所述反射層的厚度優(yōu)選為0. 7mm 0. 9mm。本發(fā)明的碳化硅復合材料的吸波陶瓷的各功能層的結(jié)構組合方式及性能參數(shù)，通過以下方法確定首先分別將不同電阻率的連續(xù)碳化硅纖維平紋布利用先驅(qū)體浸漬裂解工藝制成二維連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅復合材料，分別測試其介電常數(shù)；然后將連續(xù)碳纖維平紋布利用先驅(qū)體浸漬裂解工藝制成二維連續(xù)碳纖維增強碳化硅復合材料，測試其介電常數(shù)；再將得到的不同復合材料的介電常數(shù)建立數(shù)據(jù)庫，以單純形法作為材料吸波性能的優(yōu)化方法，以6GHz 18GHz頻段內(nèi)反射率小于_8dB的帶寬最大為優(yōu)化目標，對吸波陶瓷的層數(shù)、各層所用纖維的電阻率以及各層厚度進行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化出吸波陶瓷材料結(jié)構及各功能層的性能參數(shù)。 作為一個總的發(fā)明構思，本發(fā)明還提供一種制備上述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷方法，包括以下工藝步驟(1)選取增強材料選取滿足各功能層介電性能要求的連續(xù)碳化硅纖維平紋布和連續(xù)碳纖維平紋布；(2)制備漿料將聚碳硅烷溶于二乙烯基苯和二甲苯的混合液中，并添加碳化硅微粉作為填料，混合均勻后制得漿料；(3)制備粗坯利用步驟(2)制得的漿料對步驟(1)中具有不同介電性能的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布和連續(xù)碳纖維平紋布進行涂刷，然后按照所述各功能層的疊加順序， 將涂刷漿料后的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布和連續(xù)碳纖維平紋布鋪入模具中，經(jīng)過模壓、熱交聯(lián)、裂解制得吸波陶瓷粗坯；(4)制備成品再以聚碳硅烷和二甲苯為先驅(qū)體浸漬溶液，采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝，對所述陶瓷粗坯進行反復致密化加工，制得碳化硅復合材料的吸波陶瓷。上述技術方案中，步驟(2)中的聚碳硅烷、二乙烯基苯、碳化硅微粉和二甲苯的質(zhì)量配比優(yōu)選為 1 (0.4 0.6) (0.6 0.8) (0.1 0.3)。上述技術方案中，步驟(3)中的制備粗坯的各工藝條件優(yōu)選為模壓壓力IMPa 3MPa，熱交聯(lián)溫度150°C 180°C，熱交聯(lián)時間4h 6h，裂解溫度800°C 1000°C，裂解保護氣氛高純N2，裂解時間Ih 2h。上述技術方案中，步驟(4)中的所述先驅(qū)體浸漬溶液中聚碳硅烷和二甲苯的質(zhì)量配比優(yōu)選為1 (1 1.2)。上述技術方案中，步驟(4)中的反復致密化加工工藝過程優(yōu)選為將陶瓷粗坯置于先驅(qū)體浸漬溶液中真空浸漬4h 8h后，晾干，在800°C 1000°C、高純N2保護下裂解 Ih 2h，然后經(jīng)反復的浸漬及裂解，實現(xiàn)陶瓷粗坯的反復致密化。上述技術方案中，反復的浸漬及裂解的次數(shù)優(yōu)選為14次。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的吸波陶瓷是以連續(xù)碳化硅纖維和連續(xù)碳纖維作為增強纖維，因而該吸波陶瓷具有較好的韌性和強度，使得其首先能夠提供承載功能；更重要的是，由于本發(fā)明的吸波陶瓷具有多功能疊加型結(jié)構，使得各層的介電性能呈近似的梯度分布，且具有較好的匹配特性，電磁波能夠盡量入射到吸波陶瓷材料內(nèi)部并被有效吸收，這使得本發(fā)明的吸波陶瓷在不另外添加雷達吸收劑的情況下，具有良好的吸收電磁波的功能，從而實現(xiàn)吸波、承載和防熱等多重功能的一體化。此外，由于本發(fā)明吸波陶瓷材料的特殊結(jié)構可以在厚度較小的情況下實現(xiàn)寬頻吸波特性，這便能有效減輕產(chǎn)品重量，滿足部件的輕量化需求。由于本發(fā)明的吸波陶瓷材料結(jié)構相對簡單，其原料來源廣泛，通過現(xiàn)有常規(guī)的先驅(qū)體浸漬裂解工藝(PIP)即可制備成型，整個制備工藝步驟簡單，可有效應用于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明的碳化硅復合材料的吸波陶瓷的結(jié)構示意圖，其中，1、匹配層；2、損耗層；3、介質(zhì)層；4、反射層。圖2為實施例1的碳化硅復合材料的吸波陶瓷樣品照片。圖3為實施例1的碳化硅復合材料的吸波陶瓷的常溫反射率曲線。圖4為實施例1的碳化硅復合材料的吸波陶瓷在700°C考核Ih條件下的高溫反射率曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明作進一步的說明。實施例1 一種如圖1、圖2所示的本發(fā)明的碳化硅復合材料的吸波陶瓷，為一包括匹配層 1、損耗層2、介質(zhì)層3和反射層4的多功能層疊加型結(jié)構，匹配層1、損耗層2以及介質(zhì)層3 均由連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料構成，反射層4由連續(xù)碳纖維增強碳化硅基復合材料構成，充當各功能層中增強材料的連續(xù)碳化硅纖維及連續(xù)碳纖維均具有不同的電阻率，其中，各功能層由外至內(nèi)依次為匹配層1、損耗層2、介質(zhì)層3和反射層4，外層匹配層 1中的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率最大，內(nèi)層反射層4中連續(xù)碳纖維的電阻率最小，緊鄰匹配層1的損耗層2中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率小于緊鄰反射層4的介質(zhì)層3中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率。各功能層的具體性能參數(shù)為匹配層1的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率為6. 2 X IO5 Ω · cm，厚度為2. Imm ；損耗層2的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率為0. 97 Ω · cm,厚度為0. 3mm ；介質(zhì)層3的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率為4. 7 X IO4 Ω · cm,厚度為2. 4mm ；反射層4的連續(xù)碳纖維的電阻率為4. 1 X 10_3 Ω · cm,厚度為0. 8mm。本實施例的碳化硅復合材料的吸波陶瓷的制備方法，包括以下具體工藝步驟(1)選取增強材料選取滿足各功能層電阻率要求的連續(xù)碳化硅纖維平紋布，將其裁剪成尺寸為ISOmmX 180mm ；選取滿足電阻率要求的碳纖維平紋布，將其裁剪成尺寸為 180mmX 180mm ；(2)制備漿料準備質(zhì)量配比為1 0. 5 0. 75 0. 2的聚碳硅烷(PCS)、二乙烯基苯(DVB)、碳化硅微粉(SiCp)和二甲苯(Xylene)，將聚碳硅烷溶解于二乙烯基苯和二甲苯的混合液中，再將碳化硅微粉分批加入，機械攪拌均勻后球磨6小時，制得漿料；(3)制備粗坯利用制得的漿料將步驟(1)中準備好的纖維平紋布采用手糊工藝依次層鋪入石墨模具中，經(jīng)過合模、壓力3MPa下模壓、180°C熱交聯(lián)4h后，在1000°C、高純N2 保護下裂解lh，脫模，得到碳化硅復合材料的吸波陶瓷粗坯；(4)制備成品以質(zhì)量比1 1的聚碳硅烷和二甲苯作為先驅(qū)體浸漬溶液，采用真空浸漬工藝將粗坯浸漬4小時后晾干，在900°C、高純N2保護下裂解1小時，反復經(jīng)過14次浸漬和裂解，獲得最終的碳化硅復合材料的吸波陶瓷。制得的碳化硅復合材料的吸波陶瓷樣品照片如圖2，對該碳化硅復合材料的吸波陶瓷進行性能測試，得到的主要性能參數(shù)如表1所示，該碳化硅復合材料的吸波陶瓷的實測常溫反射率曲線如圖3，700°C考核1小時，高溫實測反射率曲線如圖4。表1 實施例1的吸波陶瓷主要性能參數(shù)
權利要求
1.一種碳化硅復合材料的吸波陶瓷，其特征在于，所述吸波陶瓷為一包括匹配層、損耗層、介質(zhì)層和反射層的多功能層疊加型結(jié)構，其中，所述的匹配層、損耗層以及介質(zhì)層均由連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料構成，所述反射層由連續(xù)碳纖維增強碳化硅基復合材料構成，充當各功能層中增強材料的連續(xù)碳化硅纖維及連續(xù)碳纖維均具有不同的電阻率。
2.根據(jù)權利要求1所述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷，其特征在于外層匹配層中的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率最大，內(nèi)層反射層中連續(xù)碳纖維的電阻率最小，緊鄰匹配層的損耗層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率小于緊鄰反射層的介質(zhì)層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率。
3.根據(jù)權利要求2所述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷，其特征在于所述匹配層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率為105Ω · cm 106Ω · cm，所述損耗層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率為0.8 Ω .cm 1.2 Ω · cm，所述介質(zhì)層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率為IO4 Ω · cm IO5Ω · cm，所述反射層中連續(xù)碳纖維的電阻率為10_3Ω · cm 10_2Ω · cm。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷，其特征在于，所述匹配層的厚度為2. Omm 2. 3mm,所述損耗層的厚度為0. 3mm 0. 4mm，所述介質(zhì)層的厚度為 2. 3mm 2. 5mm，所述反射層的厚度為0. 7mm 0. 9mm。
5.一種如權利要求1 4任一項所述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下工藝步驟(1)選取增強材料選取滿足各功能層介電性能要求的連續(xù)碳化硅纖維平紋布和連續(xù)碳纖維平紋布；(2)制備漿料將聚碳硅烷溶于二乙烯基苯和二甲苯的混合液中，并添加碳化硅微粉作為填料，混合均勻后制得漿料；(3)制備粗坯利用步驟(2)制得的漿料對步驟(1)中具有不同介電性能的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布和連續(xù)碳纖維平紋布進行涂刷，然后按照所述各功能層的疊加順序，將涂刷漿料后的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布和連續(xù)碳纖維平紋布鋪入模具中，經(jīng)過模壓、熱交聯(lián)、 裂解制得吸波陶瓷粗坯；(4)制備成品再以聚碳硅烷和二甲苯為先驅(qū)體浸漬溶液，采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝， 對所述陶瓷粗坯進行反復致密化加工，制得碳化硅復合材料的吸波陶瓷。
6.根據(jù)權利要求5所述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷的制備方法，其特征在于所述聚碳硅烷、二乙烯基苯、碳化硅微粉和二甲苯的質(zhì)量配比為1 (0.4 0.6) (0.6 0. 8) (0. 1 0. 3)。
7.根據(jù)權利要求5所述的碳化硅復合材料的吸波陶瓷的制備方法，其特征在于，制備粗坯的各工藝條件為模壓壓力IMPa 3MPa，熱交聯(lián)溫度150°C 180°C，熱交聯(lián)時間4h 6h，裂解溫度800°C 1000°C，裂解保護氣氛高純N2，裂解時間Ih 2h。
8.根據(jù)權利要求5所述的制備碳化硅復合材料的吸波陶瓷的方法，其特征在于所述先驅(qū)體浸漬溶液中，聚碳硅烷和二甲苯的質(zhì)量配比為1 (1 1.2)。
9.根據(jù)權利要求5或8所述的制備碳化硅復合材料的吸波陶瓷的方法，其特征在于，所述反復致密化加工工藝過程為將陶瓷粗坯置于先驅(qū)體浸漬溶液中真空浸漬4h 8h后，晾干，在800°C 1000°C、高純N2保護下裂解Ih 2h，然后經(jīng)反復的浸漬及裂解，實現(xiàn)陶瓷粗坯的反復致密化。
10.根據(jù)權利要求9所述的制備碳化硅復合材料的吸波陶瓷的方法，其特征在于所述反復的浸漬及裂解的次數(shù)為14次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅復合材料的吸波陶瓷及其制備方法，該吸波陶瓷為一包括匹配層、損耗層、介質(zhì)層和反射層的多功能層疊加型結(jié)構，匹配層、損耗層以及介質(zhì)層均由連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料構成，反射層由連續(xù)碳纖維增強碳化硅基復合材料構成，連續(xù)碳化硅纖維及連續(xù)碳纖維均具有不同的電阻率。本發(fā)明的制備方法包括選取增強材料、制備漿料、制備粗坯和制備成品多個步驟。本發(fā)明的吸波陶瓷具有較寬吸收頻段、較好的力學性能和防熱功能。
文檔編號C04B35/80GK102211938SQ201110053460
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權日2011年3月7日
發(fā)明者劉海韜, 周永江, 王軍, 程海峰, 鄭文偉 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學