一種氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種經(jīng)氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的用于制作天線罩的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】。該發(fā)明材料由氧化鋯晶須、硼酸鎂晶須和磷酸鋁粉配制而成，配料后將各原料與蒸餾水混合成漿料，采用球磨法均勻混合，采用冷壓成型方法成型，在常壓下高溫?zé)Y(jié)成型。本發(fā)明的氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須-磷酸鋁基透波材料技術(shù)性能指標(biāo)為：密度ρ：1.60～1.85g/cm3、室溫抗彎強(qiáng)度σs：80～120MPa、維氏硬度Hv：185～250MPa、介電常數(shù)ε：2.5～4.2、介電損耗角正切值tgθ：0.018～0.035。該透波材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能、介電性能和抗熱震性，制備方法簡(jiǎn)單易行，便于實(shí)施。
【專利說明】一種氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種經(jīng)氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的用于制作天線罩一類的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)】
[0002]透波材料是研制天線罩的基礎(chǔ)，材料的介電性能是選擇材料的主要依據(jù)，要求材料具有低介電常數(shù)(ε < 10)和介電損耗。飛行器高速飛行時(shí)的氣動(dòng)加熱，會(huì)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(shí)，為了承受飛行器高速飛行時(shí)由過載產(chǎn)生的各種應(yīng)力，所選用的天線罩材料必須有足夠的強(qiáng)度、表面硬度和斷裂韌性，使其具有抗雨蝕和抗沙蝕能力。一般材料在較高溫度工作條件下，其介電特性和強(qiáng)度可能會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此，要求天線罩材料的各項(xiàng)性能隨溫度變化的影響越小越好。
[0003]國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)天線罩材料及其制備工藝進(jìn)行了大量的研究，取得了顯著進(jìn)展，一些新材料及制備工藝已達(dá)到了實(shí)用化水平。用于制造天線罩的透波材料主要有有機(jī)材料和無機(jī)非金屬材料兩大類。有機(jī)類透波材料的強(qiáng)度高、材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，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。于是各國(guó)逐漸把研究的注意力集中于無機(jī)非金屬材料方面，包括玻璃陶瓷、石英陶瓷及氮化硅陶瓷等，但這類材料明顯存在著脆性大、力學(xué)強(qiáng)度低及介電性能穩(wěn)定差等缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到很大的限制。
[0004]后來，各國(guó)又把目光投向了磷酸鹽體系透波材料。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(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)，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(shí)際應(yīng)用的主要是硅質(zhì)纖維增強(qiáng)磷酸鋁、磷酸鉻及磷酸鉻鋁復(fù)合材料。生產(chǎn)時(shí)，首先將纖維織物預(yù)處理，然后用磷酸鹽真空浸潰，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(duì)纖維進(jìn)行保護(hù)處理，這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)造成了不小的困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料，該材料具有很好的成型性，其耐熱性、耐燒蝕性、力學(xué)性能和介電性能優(yōu)良，解決了磷酸鋁材料燒結(jié)開裂的問題。除此以外，本發(fā)明還提供了該氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料的制備方法，該方法科學(xué)合理、操作簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)實(shí)施。
[0006]氧化鋯晶須的彈性模量和抗拉強(qiáng)度高，在高溫時(shí)性能穩(wěn)定，且與磷酸鋁具有較好物理化學(xué)相容性，十分適合作為本發(fā)明材料的增強(qiáng)體。硼酸鎂晶須具有較低的介電常數(shù)，高的彈性模量，良好的力學(xué)強(qiáng)度、耐熱性、耐酸性、電絕緣性和中子吸收性能，符合作為本發(fā)明材料增強(qiáng)相的的要求，而且其價(jià)格相對(duì)較低，有利于降低生產(chǎn)成本。氧化鋯晶須的加入進(jìn)一步提高了原先只硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料的力學(xué)性能和抗熱震性。
[0007]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料，由氧化鋯晶須、硼酸鎂晶須和磷酸鋁粉體配制而成，原料重量百分配比為:氧化鋯晶須5%?30%、硼酸鎂晶須5%?30%、氧化鋯晶須和硼酸鎂晶須總量10%?40%、磷酸鋁60%?90%。
[0008]上述原料的優(yōu)選重量百分配比為:氧化鋯晶須15%?20%、硼酸鎂晶須15%?20%、磷酸鋁60%?70%。
[0009]上述的氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料的制備方法，包括以下步驟:
(O混料:按配比稱取氧化鋯晶須、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(jìn)行球磨混料。所用料球?yàn)閯傆袂?，球磨時(shí)間為40?60分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300?400轉(zhuǎn)/分鐘，所用球磨機(jī)為高能行星式球磨機(jī)；
(2)烘干:將球料自漿料中濾出，然后將漿料烘干。烘干溫度為70?90°C；
(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(shí)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。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(shí)間為20?24小時(shí)；
(4)成型:將陳腐后的原料冷壓成型。壓強(qiáng)為200?300MPa，保壓時(shí)間為3?5分鐘；
(5)干燥:將壓制好的試樣進(jìn)行干燥。干燥溫度為70?90°C，干燥時(shí)間為20?24小時(shí)；
(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。燒結(jié)溫度為700?850°C，燒結(jié)時(shí)間為2?3小時(shí)。
[0010]經(jīng)過以上工藝程序，制備成氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料。
[0011]經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，本發(fā)明透波材料的性能指標(biāo)為:
密度P:1.60?1.85g/cm3、室溫抗彎強(qiáng)度σ s:80?120MPa、維氏硬度Hv:185?250MPa、介電常數(shù)ε:2.5?4.2、介電損耗角正切值tg Θ:0.018?0.035。
[0012]發(fā)明實(shí)例I
本實(shí)施例材料的組成配比為:15%氧化鋯晶須、15%硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不可避免的雜質(zhì)。
[0013]按照本組成配比和制備工藝步驟，將氧化鋯晶須、磷酸鋁及適量的蒸餾水混合成漿料，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為45分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從氧化鋯晶須、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 ；將干燥后的原料放入研缽搗碎，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(shí)不斷研磨，然后放入30?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(shí)；將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為200MPa，保壓時(shí)間為5分鐘；將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥24小時(shí)，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800°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料。
[0014]該透波材料的性能指標(biāo)如下:密度1.78g/cm3、維氏硬度246MPa、抗彎強(qiáng)度115MPa、介電常數(shù)3.6、介電損耗角正切值0.0284。
[0015]發(fā)明實(shí)例2
本實(shí)施例材料的組成配比為:25%氧化鋯晶須、5%硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不可避免的雜質(zhì)。
[0016]按照本組成配比和制備工藝步驟，將氧化鋯晶須、磷酸鋁及適量的蒸餾水混合成漿料，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為50分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從氧化鋯晶須、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85°C ；將干燥后的原料放入研缽搗碎，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(shí)不斷研磨，然后放入30?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(shí)；將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為200MPa，保壓時(shí)間為3分鐘；將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥24小時(shí)，加熱溫度85°C ;將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為750°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料。
[0017]該透波材料的測(cè)試性能指標(biāo)如下:密度1.82g/cm3、維氏硬度230MPa、抗彎強(qiáng)度95MPa、介電常數(shù)4.0、介電損耗角正切值0.03361。
[0018]發(fā)明實(shí)例3
本實(shí)施例材料的組成配比為:5%氧化鋯晶須、25%硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不可避免的雜質(zhì)。
[0019]按照本組成配比和制備工藝步驟，將氧化鋯晶須、磷酸鋁及適量的蒸餾水混合成漿料，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為60分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從氧化鋯晶須、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 ；將干燥后的原料放入研缽搗碎，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(shí)不斷研磨，然后放入30?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20小時(shí)；將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為250MPa，保壓時(shí)間為5分鐘；將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥24小時(shí)，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800°C，保溫時(shí)間為3小時(shí)，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料。
[0020]該透波材料的測(cè)試性能指標(biāo)如下:密度1.69g/cm3、維氏硬度197MPa、抗彎強(qiáng)度82MPa、介電常數(shù)2.71、介電損耗角正切值0.02375。
[0021]發(fā)明實(shí)例4
本實(shí)施例材料的組成配比為:30%氧化鋯晶須、10 %硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不可避免的雜質(zhì)。
[0022]按照本組成配比和制備工藝步驟，將氧化鋯晶須、磷酸鋁及適量的蒸餾水混合成漿料，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為45分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從氧化鋯晶須、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 ；將干燥后的原料放入研缽搗碎，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(shí)不斷研磨，然后放入30?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(shí)；將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為200MPa，保壓時(shí)間為5分鐘；將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥24小時(shí)，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(shí)間為2小時(shí)，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料。
[0023]該透波材料的測(cè)試性能指標(biāo)如下:密度1.85g/cm3、維氏硬度239MPa、抗彎強(qiáng)度98MPa、介電常數(shù)4.1、介電損耗角正切值0.03481。
[0024]發(fā)明實(shí)例5
本實(shí)施例材料的組成配比為:10%氧化鋯晶須、30%硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不可避免的雜質(zhì)。
[0025]按照本組成配比和制備工藝步驟，將氧化鋯晶須、磷酸鋁及適量的蒸餾水混合成漿料，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為40分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從氧化鋯晶須、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85°C ；將干燥后的原料放入研缽搗碎，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(shí)不斷研磨，然后放入30?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22小時(shí)；將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為250MPa，保壓時(shí)間為4分鐘；將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥22小時(shí)，加熱溫度85°C ;將干燥后的試樣在常壓下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為700°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料。
[0026]該透波材料的測(cè)試性能指標(biāo)如下:密度1.72g/cm3、維氏硬度203Mpa、抗彎強(qiáng)度91MPa、介電常數(shù)2.75、電損耗角正切值0.0244。
[0027]發(fā)明實(shí)例6
本實(shí)施例材料的組成配比為:5%氧化鋯晶須、10%硼酸鎂晶須、其余為磷酸鋁及其它不可避免的雜質(zhì)。
[0028]按照本組成配比和制備工藝步驟，將氧化鋯晶須、磷酸鋁及適量的蒸餾水混合成漿料，進(jìn)行球磨混料，球磨時(shí)間為60分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘；然后將料球從氧化鋯晶須、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 ；將干燥后的原料放入研缽搗碎，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(shí)不斷研磨，然后放入30?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(shí)；將陳腐后的原料冷壓成型，壓強(qiáng)為250MPa，保壓時(shí)間為5分鐘；將壓制好的試樣放入干燥箱中干燥24小時(shí)，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800°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，然后在爐內(nèi)自然冷卻降至室溫。經(jīng)以上工藝過程，制成氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料。
[0029]該透波材料的測(cè)試性能指標(biāo)如下:密度1.67g/cm3、維氏硬度186MPa、抗彎強(qiáng)度80MPa.、介電常數(shù)2.73、電損耗角正切值0.0235。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)的磷酸鋁基透波材料，其特征是:由氧化鋯晶須、硼酸鎂晶須和磷酸鋁粉體配制而成，原料重量百分配比為:氧化鋯晶須5%?30%，硼酸鎂晶須5%?30%，氧化鋯晶須和硼酸鎂晶須共10%?40%，磷酸鋁40%?90%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷酸鋁陶瓷透波材料，其特征是上述原料的優(yōu)選重量百分配比為:氧化鋯晶須15%?20%，硼酸鎂晶須15%?20%，磷酸鋁60%?70%。
3.—種權(quán)利要求1所述的氧化鋯晶須-硼酸鎂晶須增強(qiáng)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: (O混料:按配比稱取氧化鋯晶須、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(jìn)行球磨混料； (2)烘干:將球料自漿料中濾出，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(shí)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(jìn)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(I)中所用料球?yàn)閯傆袂颍蚰r(shí)間為40?60分鐘，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300?400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(I)中所用球磨機(jī)為高能行星式球磨機(jī)。
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70 ?90?。
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(shí)間為20?24小時(shí)。
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)備為冷登靜壓機(jī)，壓強(qiáng)為200?300MPa，保壓時(shí)間為3?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70?90°C，干燥時(shí)間為20?24小時(shí)。
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700?850°C，燒結(jié)時(shí)間為2?3小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C04B35/81GK104276834SQ201410015812
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】耿浩然, 胡振世, 冷金鳳 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)