專利名稱：碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)吸波陶瓷領(lǐng)域，具體涉及一種多層結(jié)構(gòu)的雷達(dá)吸波材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前研制的雷達(dá)吸波陶瓷材料主要以陶瓷微粉作為雷達(dá)吸收劑，采用熱壓工藝制備而成，如Si/C/N陶瓷顆粒增強(qiáng)LAS玻璃、莫來(lái)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(shí)現(xiàn)梯度分布，雷達(dá)吸波頻段較窄；幻顆粒增強(qiáng)陶瓷材料韌性較差， 易發(fā)生災(zāi)難性破壞；幻熱壓工藝難以制備大型復(fù)雜構(gòu)件。而連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、抗氧化、高比強(qiáng)度、高比模量、高韌性等優(yōu)點(diǎn)，并且易于成型大型復(fù)雜構(gòu)件，但目前研制的連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅(SiCf/SiC)復(fù)合材料主要用于熱防護(hù)、熱結(jié)構(gòu)，由于未進(jìn)行必要的介電性能改性，雷達(dá)吸波性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有較寬吸收頻段、較好的力學(xué)性能和防熱功能的三層結(jié)構(gòu)雷達(dá)吸波陶瓷，并相應(yīng)提供制備該三層結(jié)構(gòu)雷達(dá)吸波陶瓷的方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷，為一包括匹配層、損耗層和反射層的多功能層疊加型結(jié)構(gòu)，各功能層均由連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料構(gòu)成，充當(dāng)各功能層中增強(qiáng)材料的連續(xù)碳化硅纖維具有不同的電阻率。作為對(duì)上述碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷的進(jìn)一步改進(jìn)，外層匹配層中的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率應(yīng)遠(yuǎn)大于內(nèi)層反射層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率(一般可達(dá)到IO5倍)，位于中間損耗層中的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率大于所述匹配層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率。上述的碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷中，所述匹配層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率優(yōu)選為IO4 Ω · cm IO5 Ω · cm，所述反射層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率優(yōu)選為10_2 Ω · cm ΙΟ^Ω · cm，所述損耗層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率優(yōu)選為105Ω · cm 106Ω · cm。上述的碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷中，所述匹配層的厚度優(yōu)選為0. 7mm 0. 9mm, 所述反射層的厚度優(yōu)選為0. 8mm 1. 0mm，所述損耗層的厚度優(yōu)選為1. 8mm 2. 0mm。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷的制備方法，包括以下步驟(1)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，且對(duì)損耗層的連續(xù)碳化硅纖維平紋布進(jìn)行浸漬裂解處理；對(duì)損耗層的連續(xù)碳化硅纖維平紋布進(jìn)行浸漬裂解處理時(shí)，優(yōu)選的浸漬溶液為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)15% 25%的酚醛酒精溶液；(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；本步驟中聚碳硅烷、二乙烯基苯、二甲苯和碳化硅微粉的質(zhì)量比優(yōu)選為1 (0.4 0.6) (0.1 0.3) (0.6 0.8);(3)制備粗坯利用所述的漿料對(duì)具有不同介電性能的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布進(jìn)行涂刷，然后按照上述各功能層的疊加順序，將涂刷漿料后的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布鋪入模具中，經(jīng)過(guò)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作為先驅(qū)體，采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝對(duì)所述陶瓷粗坯進(jìn)行反復(fù)致密化，制得碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷。在采用上述工藝方法制備本發(fā)明的吸波陶瓷以前，我們首先對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)各種設(shè)計(jì)嘗試，并對(duì)碳化硅纖維進(jìn)行過(guò)各種介電性能的改性處理，然后利用基于單純形法的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件對(duì)材料的吸波性能進(jìn)行過(guò)優(yōu)化，從而確定出本發(fā)明中吸波陶瓷的結(jié)構(gòu)組合方式及各功能層的設(shè)計(jì)參數(shù)。上述的制備方法中，所述步驟(1)中的浸漬裂解處理優(yōu)選是指先用酚醛酒精溶液浸泡損耗層的連續(xù)碳化硅纖維平紋布，取出晾干后進(jìn)行低溫交聯(lián)，冷卻后再于惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫裂解，使得損耗層的連續(xù)碳化硅纖維表面形成碳層。在該優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述酚醛酒精溶液的質(zhì)量濃度優(yōu)選為15% 25%。所述低溫交聯(lián)過(guò)程優(yōu)選是指先以 2V /min 5°C /min的升溫速率升溫至150°C 180°C，再固化4h 6h ；所述高溫裂解過(guò)程是指先以3°C /min 5°C /min的升溫速率升溫至800°C 1000°C，再保溫Ih 2h。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的吸波陶瓷是以連續(xù)碳化硅纖維作為增強(qiáng)纖維和電磁波吸收體，由于該吸波陶瓷具有較好的韌性和強(qiáng)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(gòu)，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(dá)吸收劑的情況下，具有良好的吸收電磁波的功能，從而實(shí)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(gòu)可以在厚度較小的情況下實(shí)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(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其原料來(lái)源廣泛，通過(guò)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(gè)制備工藝步驟簡(jiǎn)單，可有效應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中吸波陶瓷的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1、匹配層；2、損耗層；3、反射層。圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的吸波陶瓷的樣品照片。圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的吸波陶瓷的反射率曲線。圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中制得的吸波陶瓷的反射率曲線。圖5是本發(fā)明實(shí)施例3中制得的吸波陶瓷的反射率曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1 一種如圖1、圖2所示的本發(fā)明的碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷，該吸波陶瓷為一包括匹配層1、損耗層2和反射層3的多功能層疊加型結(jié)構(gòu)，各功能層均由連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料構(gòu)成，充當(dāng)各功能層中增強(qiáng)材料的連續(xù)碳化硅纖維具有不同的電阻率。其中，匹配層1位于最外層，反射層3位于最內(nèi)層，損耗層2位于匹配層1和反射層3中間，匹配層1中的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率遠(yuǎn)大于內(nèi)層反射層3中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率，位于中間損耗層2中的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率大于匹配層1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)如下匹配層1 連續(xù)碳化硅纖維電阻率為5. 3 X IO4 Ω · cm,厚度為0. 7mm ；損耗層2 連續(xù)碳化硅纖維電阻率為7. 3 X IO5 Ω · cm,厚度為1. 8mm ；反射層3 連續(xù)碳化硅纖維電阻率為4. 3 X IO"2 Ω · cm,厚度為0. 8謹(jǐn)。本實(shí)施例的碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷的制備方法，具體包括以下工藝步驟(1)選取碳化硅纖維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 (即選取上述的不同電阻率的連續(xù)碳化硅纖維平紋布)，并將各層的連續(xù)碳化硅纖維平紋布裁剪成尺寸為180mmX 180mm，連續(xù)碳化硅纖維平紋布的編織密度為5根/cm且對(duì)損耗層的連續(xù)碳化硅纖維平紋布進(jìn)行浸漬裂解處理；該浸漬裂解處理過(guò)程為先用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的酚醛酒精溶液浸泡損耗層的連續(xù)碳化硅纖維平紋布，浸泡15min，取出后平放晾置4h，再將其置于烘箱中，以5°C /min的升溫速率升溫至150°C并固化4h，自然冷卻至室溫；再將處理好的碳化硅纖維布在隊(duì)保護(hù)下， 以5°C /min的升溫速率升至900°C，保溫lh，使得損耗層的連續(xù)碳化硅纖維表面形成碳層；(2)制備漿料準(zhǔn)備質(zhì)量比為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)，然后將聚碳硅烷溶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(jī)械攪拌均勻后球磨4小時(shí)，制得漿料；(3)制備粗坯利用步驟( 制得的漿料對(duì)步驟(1)中具有不同介電性能的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布進(jìn)行涂刷，然后按照各功能層的疊加順序，將涂刷漿料后的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布采用手糊工藝逐層鋪入模具中，經(jīng)過(guò)合模、模壓、熱交聯(lián)、裂解及脫模后制得吸波陶瓷粗坯；(4)制備成品再以聚碳硅烷作為先驅(qū)體，用質(zhì)量比為1 1的聚碳硅烷和二甲苯配制成先驅(qū)體浸漬溶液，采用真空浸漬工藝將上述制得的吸波陶瓷粗坯浸漬在先驅(qū)體浸漬溶液中一段時(shí)間，然后取出晾干，在900°C、高純隊(duì)保護(hù)下裂解Ih;經(jīng)過(guò)14個(gè)周期的浸漬-裂解過(guò)程使復(fù)合材料致密化，最終制得本實(shí)施例的碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷。經(jīng)上述步驟制得的本實(shí)施例的吸波陶瓷樣品照片如圖2所示，主要性能參數(shù)如下表1所示表1 實(shí)施例1吸波陶瓷主要性能參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種碳化硅復(fù)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、損耗層和反射層的多功能層疊加型結(jié)構(gòu)，各功能層均由連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料構(gòu)成，充當(dāng)各功能層中增強(qiáng)材料的連續(xù)碳化硅纖維具有不同的電阻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅復(fù)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遠(yuǎn)大于內(nèi)層反射層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率，位于中間損耗層中的連續(xù)碳化硅纖維的電阻率大于所述匹配層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化硅復(fù)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104Ω · cm 105Ω · cm，所述反射層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率為10_2Ω · cm ΙΟ—1 Ω · cm，所述損耗層中連續(xù)碳化硅纖維的電阻率為IO5 Ω · cm IO6 Ω · cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷，其特征在于，所述匹配層的厚度為0. 7mm 0. 9mm，所述反射層的厚度為0. 8mm 1. 0mm，所述損耗層的厚度為 1. 8mm 2. 0mm。
5.一種如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷的制備方法，包括以下步驟(1)選取碳化硅纖維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，且對(duì)損耗層的連續(xù)碳化硅纖維平紋布進(jìn)行浸漬裂解處理；(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(duì)步驟(1)中具有不同介電性能的各連續(xù)碳化硅纖維平紋布進(jìn)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)碳化硅纖維平紋布鋪入模具中，經(jīng)過(guò)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作為先驅(qū)體，采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝對(duì)所述陶瓷粗坯進(jìn)行反復(fù)致密化，制得碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中的浸漬裂解處理是指先用酚醛酒精溶液浸泡損耗層的連續(xù)碳化硅纖維平紋布，取出晾干后進(jìn)行低溫交聯(lián)，冷卻后再于惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫裂解，使得損耗層的連續(xù)碳化硅纖維表面形成碳層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述酚醛酒精溶液的質(zhì)量濃度為 15% 25%。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述低溫交聯(lián)過(guò)程是指先以2°C/ min 5°C /min的升溫速率升溫至150°C 180°C，再固化4h 6h ；所述高溫裂解過(guò)程是指先以3°C /min 5°C /min的升溫速率升溫至800°C 1000°C，再保溫Ih 2h。
9.根據(jù)權(quán)利要求5 8中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中聚碳硅烷、二乙烯基苯、二甲苯和碳化硅微粉的質(zhì)量比為1 (0.4 0.6) (0.1 0. 3) (0. 6 0. 8)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳化硅復(fù)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、損耗層和反射層的多功能層疊加型結(jié)構(gòu)，各功能層均由連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料構(gòu)成，充當(dāng)各功能層中增強(qiáng)材料的連續(xù)碳化硅纖維具有不同的電阻率。該吸波陶瓷的制備方法為先選取連續(xù)碳化硅纖維平紋布，并對(duì)損耗層的平紋布進(jìn)行浸漬裂解處理；再混合聚碳硅烷、二乙烯基苯、二甲苯等制備漿料，再經(jīng)過(guò)模壓、熱交聯(lián)、裂解制得吸波陶瓷粗坯，最后采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝制得碳化硅復(fù)合材料的吸波陶瓷。本發(fā)明的吸波陶瓷具有較寬吸收頻段、較好的力學(xué)性能和防熱功能。
文檔編號(hào)C04B35/80GK102180695SQ20111005211
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者劉海韜, 楚增勇, 王軍, 程海峰, 鄭文偉 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)