專利名稱：新型透波隔熱功能一體化SiO₂-Si₃N₄復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于復合材料領域，特別涉及一種新型的透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4 復合材料及其制備方法。
背景技術：
多孔陶瓷是一種新型的陶瓷材料，被稱為綠色功能材料，是一種經高溫燒成、體內有大量彼此相通或閉合氣孔的陶瓷材料。其具有微孔或孔洞分布均勻、孔隙率較高、體積密度小，比表面積大及獨特的表面物理特性，對液體和氣體介質有選擇的透過性，且具有能量吸收好阻尼特性，加之陶瓷材料特有的耐高溫、耐腐蝕、耐熱沖擊、高的化學穩(wěn)定性。以上特性使多孔陶瓷這一綠色材料可以在過濾、吸聲減震、高級保溫材料和傳感器材料等多方面得到廣泛的應用。多孔氮化硅陶瓷是多孔陶瓷中的一種，目前為止，多孔氮化硅陶瓷的坯體制備工藝主要有添加造孔劑、炭熱還原、模板法等工藝，成品成型均需超高溫，氮化成型過程復雜， 不易控制，使制品成型有一定的難度，大尺寸的成品很少。氮化硅陶瓷本身強度很高，但具有很大的脆性，硬度較大，加工相對困難，限制了其應用領域。多孔氮化硅材料及其復合材料的制備研究剛剛起步，組成成分與孔隙率對其力學性能以及電氣性能的影響尚未進入系統(tǒng)研究。相關文獻表明孔隙的存在會降低機械強度，但是在某種程度上，卻可以提高氮化硅的應變延遲以及斷裂延伸率，提高其韌性。關于孔隙數(shù)量及孔徑分布特征對氮化硅的性能影響尚未見有報道。對于多孔氮化硅復合材料組成體系的理論設計與試驗設計的相關研究也很少，尚處于摸索階段。多孔氮化硅陶瓷及其復合材料應用領域較窄，許多研究單位以及學者多把研究重點放在軍工領域，而民用、工業(yè)及其它領域的應用研究尚屬空白。這方面的研究有待進一步加強。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的透波隔熱一體化SiO2-Si3N4復合材料，彌補現(xiàn)有技術的空白。本發(fā)明采用的技術方案如下
新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料，所述復合材料的導熱系數(shù)為0. 08
0.lW/m*K，介電常數(shù)ε=2. 5 8、介電損耗tgS<3X10_3。所述復合材料的密度為0. 4
1.3g/cm3，氣孔率為63 82%。本發(fā)明還進一步提供一種所述新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料的制備方法，先采用溶膠-凝膠法制備均勻包含Si3N4粉體的硅凝膠，然后進行冷凍干燥、燒結， 即得所述新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料。具體的，將正硅酸乙酯、乙醇、水充分混合，然后加入Si3N4粉、Al2O3粉、MgO粉后混合均勻，調節(jié)混合液PH值至9-10 ；之后進行恒溫水浴，從30°C開始每12小時增加10°C;在40°C時加入二甲基甲酰胺，從50°C開始加入丙酮置換，每隔12小時置換一次，一共三次，之后得到均勻包含Si3N4粉體的硅凝膠。其中，加入丙酮置換出的是水，下次加入丙酮時，先把上次置換出的水除去。其中，正硅酸乙酯乙醇水的體積比為23:35:3 ；體系中Si3N4粉的質量百分比為 30 50%、Al2O3 粉為 5%、MgO 粉為 2%。將得到的硅凝膠于-40 -20°C冷凍2h，之后進行升溫干燥從-20°C到80°C干燥 60min，80°C恒溫干燥 9h。于常壓下，3h從0°C升溫至300°C;之后再用3h從300°C升溫至1200°C或1300°C， 并保溫55-65min。本發(fā)明結合溶膠-凝膠工藝和冷凍干燥工藝，控制材料的氣孔結構以及孔隙率、 孔隙分布。凝膠制備過程，以二甲基甲酰胺為交聯(lián)劑和偶聯(lián)劑對Si3N4粉體表面進行處理， 增加其在硅溶膠中的交聯(lián)特性，通過控制溶液的PH值和溫度，制備性能穩(wěn)定的均勻包含 Si3N4粉體的硅凝膠。冷凍干燥工藝可使溶劑冰升華而排出，坯體中形成定向排布的孔結構，可以得到同時含有宏觀氣孔和微觀氣孔的復合孔結構。前面加入的適量的Al2O3和MgO 作為燒結助劑，可以在較低的溫度下與S^2 —起形成低熔點的共熔物，促進Si3N4的燒結過程，在1200°C的燒結溫度下，可成功制備出氣孔率高，強度和抗熱震性能優(yōu)越的SiO2-Si3N4 復合材料。所述新型透波隔熱功能一體化Si3N4復合材料可在超高音速飛行器的天線罩中應用。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，有以下優(yōu)點
本發(fā)明提供的復合材料具有隔熱和透波的雙重功效，具有足夠的機械強度，抗壓強度在20 25MPa，耐雨蝕、沙蝕性能良好，可耐1200°C的高溫，其燒結溫度低，且具有可設計性，氣孔尺寸小，具有很好的隔熱效果。開創(chuàng)性地采用溶膠-凝膠和冷凍干燥相結合技術制備多孔陶瓷，制備出的Si3N4基復合材料在航空航天和軍事國防領域具有廣泛的應用前景。


圖1為本發(fā)明實例1得出的SiO2-Si3N4復合材料斷面放大500倍的SEM圖； 圖2為本發(fā)明實例1得出的SiO2-Si3N4復合材料斷面放大2000倍的SEM圖。
具體實施例方式以下以具體實施例來說明本發(fā)明的技術方案，但本發(fā)明的保護范圍不限于此 實施例1
將正硅酸乙酯2:3ml、乙醇35ml、水3ml混合于200ml的燒杯中，并置于磁力攪拌器上強力攪拌，再按照氮化硅氧化鎂氧化鋁(重量比，下同)=33:2:5依次加入1.7gMg0， 4. 3gAl203，28. 6gSi3N4，攪拌至勻；調PH值到9后裝入并置于起始溫度為30°C的恒溫水浴中，得到的凝膠在經過-40°C冷凍池之后進行升溫干燥，從-20°C到80°C干燥60min，8(TC 恒溫干燥9h ；干燥后于常壓下進行燒結，池從0°C升至30(TC，之后再用池從30(TC升至 1200°C，保溫Ih后，隨爐冷卻即可得到塊狀SiO2-Si3N4基復合材料。所述復合材料的導熱系數(shù)為0. 08ff/m · K，介電常數(shù)ε =3、介電損耗tg δ =2. 5 X IO^30 密度為 0. 5g/cm3。結合圖1和2，可以看到，得到的SiO2-Si3N4基復合材料有兩種氣孔，一種是晶界處較大的通氣孔，氣孔尺寸大概1 5um，氣孔率在20 30% ；—種是晶粒上也就是晶粒內的閉氣孔，氣孔尺寸為納米級，體積在50%以上。實施例2
將正硅酸乙酯23ml、乙醇35ml、水3ml混合于200ml的燒杯中，并置于磁力攪拌器上強力攪拌，再按照氮化硅氧化鎂氧化鋁=40:2:5依次加入1. 96g MgO, 4. 91g Al2O3，39. 31g Si3N4，攪拌至勻；調PH值到9后裝入試管并置于起始溫度為30°C的恒溫水浴中，得到的凝膠在經過-40°C冷凍2h之后進行升溫干燥，從-20°C到80°C干燥60min，80°C恒溫干燥9h ； 干燥后于常壓下進行燒結，池從0°C升至300°C，之后再用池從300°C升至1200°C，保溫Ih 后隨爐冷卻即可得到本發(fā)明的塊狀SiO2-Si3N4基復合材料。所述復合材料的導熱系數(shù)為0. 09ff/m · K，介電常數(shù)ε =4、介電損耗 tg δ =2. 2 X 10_3。密度為 0. 7g/cm3，氣孔率約為 70%。實施例3
將正硅酸乙酯2:3ml、乙醇35ml、水3ml混合于200ml的燒杯中，并置于磁力攪拌器上強力攪拌，再按照氮化硅氧化鎂氧化鋁=50 2 5依次加入2. 42gMg0,6. 06gAl203， 60. 56Si3N4，攪拌至勻；調PH值到9后裝入試管于起始溫度為30°C的恒溫水浴中，得到的凝膠在經過_40°C冷凍2h之后進行升溫干燥IOh 從-20°C到80°C干燥60min，80°C恒溫干燥 9h ；干燥后于常壓下進行燒結，池從(TC升至300°C，之后再用池從300°C升至1200°C，保溫Ih后隨爐冷卻即可得到本發(fā)明的塊狀SiO2-Si3N4基復合材料。所述復合材料的導熱系數(shù)為0. lW/m*K，介電常數(shù)ε =3、介電損耗tg δ =2. 8X 10_3。 密度為0. 8g/cm3，氣孔率約為65%。實施例4
將正硅酸乙酯2:3ml、乙醇35ml、水3ml混合于200ml的燒杯中，并置于磁力攪拌器上強力攪拌，再按照氮化硅氧化鎂氧化鋁=33:2:5依次加入1. 7g MgO, 4. 3g Al2O3，28. 6g Si3N4，攪拌至勻；調PH值到9后裝入試管并置于起始溫度為30°C的恒溫水浴中，得到的凝膠在經過_40°C冷凍2h之后進行升溫干燥IOh 從-20°C到80°C干燥60min，80°C恒溫干燥 9h ；干燥后于常壓下進行燒結，池從0°C升至300°C，之后再用池從300°C升至1300°C，保溫Ih后隨爐冷卻即可得到本發(fā)明的塊狀SiO2-Si3N4基復合材料。所述復合材料的導熱系數(shù)為0. 08ff/m · K，介電常數(shù)ε =2. 8、介電損耗 tg δ =2. OX 10_3。密度為 1. Og/cm3，氣孔率約為 65%。實施例5
將正硅酸乙酯2:3ml、乙醇35ml、水3ml混合于200ml的燒杯中，并置于磁力攪拌器上強力攪拌，再按照氮化硅氧化鎂氧化鋁=40:2:5依次加入1.96gMgO，4. QlgAl2O3， 39. 31gSi3N4，攪拌至勻；調PH值到9后分裝4個試管并置于起始溫度為30°C的恒溫水浴中，得到的凝膠在經過-40°C冷凍池之后進行升溫干燥IOh 從-20°c到80°C干燥60min， 80°C恒溫干燥9h ；干燥后于常壓下進行燒結，池從0°C升至300°C，之后再用池從300°C升至1300°C，保溫Ih后隨爐冷卻即可得到本發(fā)明的塊狀SiO2-Si3N4基復合材料。所述復合材料的導熱系數(shù)為0. lW/m*K，介電常數(shù)ε =3、介電損耗tg δ =2. 6X 10_3。密度為1. 2g/cm3，氣孔率約為63%。實施例6
將正硅酸乙酯2:3ml、乙醇35ml、水3ml混合于200ml的燒杯中，并置于磁力攪拌器上強力攪拌，再按照氮化硅氧化鎂氧化鋁=50 2 5依次加入2. 42gMg0,6. 06gAl203， 60. 56gSi3N4，攪拌至勻；調PH值到9后分裝4個試管并置于起始溫度為30°C的恒溫水浴中，得到的凝膠在經過-40°C冷凍池之后進行升溫干燥IOh 從-20°c到80°C干燥60min， 80°C恒溫干燥9h ；干燥后于常壓下進行燒結，池從0°C升至300°C，之后再用池從300°C升至1300°C，保溫Ih后隨爐冷卻即可得到本發(fā)明的塊狀SiO2-Si3N4基復合材料。所述復合材料的導熱系數(shù)為0. lW/m*K，介電常數(shù)ε =6、介電損耗tg δ =2. 9X 10_3。 密度為1. 3g/cm3，氣孔率約為62%。
權利要求
1.新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料，其特征在于，所述復合材料的導熱系數(shù)為0.08-0. lW/m*K，介電常數(shù)ε=2. 5 8、介電損耗tgS<3X10_3。
2.如權利要求1所述的新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料，其特征在于，所述復合材料的密度為0. 4-1. 3g/cm3，氣孔率為63-擬％。
3.權利要求1所述新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料的制備方法，其特征在于，先采用溶膠-凝膠法制備均勻包含Si3N4粉體的硅凝膠，然后進行冷凍干燥、燒結，即得所述新型透波隔熱功能一體化Si3N4復合材料。
4.如權利要求3所述的新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料的制備方法，其特征在于，將得到的硅凝膠于-40°C -20°C冷凍池，之后進行升溫干燥從-20°C到80°C 干燥60min，再于80°C恒溫干燥9h。
5.如權利要求4所述的新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料的制備方法，其特征在于，于常壓下，3h從0°C升溫至300 V ；之后再用3h從300 V升溫至1200 V或1300 V， 并保溫55-65min。
6.如權利要求3-5之一所述的新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料的制備方法，其特征在于，將正硅酸乙酯、乙醇、水充分混合，然后加入Si3N4粉、Al2O3粉、MgO粉后混合均勻，調節(jié)混合液PH值至9-10 ；之后進行恒溫水浴，從30°C開始每12小時增加10°C;在 40°C時加入二甲基甲酰胺，從50°C開始加入丙酮置換，每隔12小時置換一次，一共三次，之后得到均勻包含Si3N4粉體的硅凝膠。
7.如權利要求6所述的新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料的制備方法，其特征在于，其中，正硅酸乙酯乙醇水的體積比為23:35:3 ；體系中，Si3N4粉在水浴前的整個體系中質量百分比為30 50%、Al2O3粉為5%、Mg0粉為m。
8.權利要求1或2所述新型透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料在超高音速飛行器的天線罩中的應用。
全文摘要
本發(fā)明屬于復合材料領域，特別涉及一種新型的透波隔熱功能一體化SiO2-Si3N4復合材料。所述復合材料的導熱系數(shù)為0.08-0.1W/m·K，介電常數(shù)ε=2.5～8、介電損耗tgδ<3×10-3。本發(fā)明開創(chuàng)性地采用溶膠-凝膠和冷凍干燥相結合技術制備多孔陶瓷，制備出的Si3N4基復合材料具有隔熱和透波的雙重功效，在航空航天和軍事國防領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號C04B35/14GK102285799SQ20111015399
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權日2011年6月9日
發(fā)明者馮倫, 盧紅霞, 張銳, 王海龍, 范冰冰, 許紅亮, 趙笑統(tǒng), 陳建寶, 陳德良 申請人:鄭州大學