專(zhuān)利名稱(chēng)：：硅酸鎂陶瓷透波材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種特種、功能陶瓷材料，尤其是涉及一種硅酸鎂陶瓷透波材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：航空航天技術(shù)和軍事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)透波材料的性能提出了很高的要求。為了高效、可靠地起到透波作用，一般要求透波材料具有優(yōu)異的介電性能、良好的耐熱性、耐環(huán)境性、較高的機(jī)械強(qiáng)度及可生產(chǎn)性和經(jīng)濟(jì)性。但就透波材料體系來(lái)說(shuō)，無(wú)論是陶瓷復(fù)合材料還是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料國(guó)內(nèi)外都有所石開(kāi)究。韓國(guó)的科學(xué)家(LeeSangjin，KrivenWM.Fabricationoflowthermalexpansionandlowdielectricceramicsubstratesbycontrolofmicrostructure.CeramicProcessingResearch,2003;4(3):118-121)通過(guò)將不同尺寸的氧化鋁板狀物加入到無(wú)定形堇青石粉末中，通過(guò)熱壓方法制得的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度達(dá)90MPa,s為5.O(lMHz)。上海硅酸鹽研究所和山東陶瓷研究設(shè)計(jì)院等單位(張偉儒,王重海,劉建等.高性能透波Si3N4-BN基陶瓷復(fù)合材料的研究.硅酸鹽通報(bào),2003;(3):3-6)用陶瓷粉末高溫?zé)Y(jié)工藝制備了Si3N4-Si02、Si02-AlN-Si3N4、Si02-A1N-BN和Si3N4-BN陶瓷透波材料，其具有較好的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)綜合性能。陜西非金屬材料工藝研究所(BartaJ，ManelaM,Si3N4andSi2N2C)forhighperformanceradomes.MatrialsScienceandEngineering,1985;71:265-272)從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始高溫透波材料研究，s和tgS巳達(dá)到指標(biāo)要求(s〈3.5，tg8〈0.01)。山東大學(xué)以Si3N4陶瓷材料為基礎(chǔ)，同時(shí)加入丫203、納米Si02、AIN對(duì)其進(jìn)行復(fù)合(閆聯(lián)生,李賀軍,崔紅.高溫陶瓷透波材料研究進(jìn)展.宇航材料工藝，2004;34(2):14-16)，制備出耐燒蝕、介電性能優(yōu)異的陶瓷復(fù)合材料。武漢理工大學(xué)(崔文亮.熔融石英陶瓷的性能改進(jìn)研究.武漢理工大學(xué)碩士論文，2003)通過(guò)注射成型制備了石英陶瓷材料，材料抗熱震溫度達(dá)到1100°C。上海硅酸鹽研究所(徐常明,王士維,黃校先等.無(wú)壓燒結(jié)制備Si3N4/Si02復(fù)合材料.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2006;(4):935~938)以無(wú)壓燒結(jié)工藝制備了Si3N4/Si02復(fù)合材料，s為3.633.68。但是迄今未見(jiàn)一種材料完全具備上述全部的優(yōu)良性能。無(wú)機(jī)陶瓷材料能耐高溫、介電性能好以及強(qiáng)度高等，但其質(zhì)脆、韌性差、耐熱沖擊性能差并且成型工藝復(fù)雜。樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有較高的比強(qiáng)度,，材料的介電性能、機(jī)械性能和熱性能具有可設(shè)計(jì)性，但使用溫度受樹(shù)脂基體耐熱性的限制，目前階段最高使用溫度不超過(guò)360°C。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種密度低、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱低、熱膨脹小、介電性能好的硅酸鎂陶瓷透波材料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種簡(jiǎn)單易行的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法。本發(fā)明所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的原料組成為氧化鎂、二氧化硅和造孔材料，按質(zhì)量百分比，造孔材料的含量為氧化鎂和二氧化硅總質(zhì)量的5%30%，其中，按質(zhì)量百分比，氧化鎂和二氧化硅的含量為氧化鎂65%75%，二氧化硅35%25%;所述造孔材料可為碳粉、碳酸氫銨、小麥粉、玉米淀粉等中的至少一種。本發(fā)明所述硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法包括以下步驟1)將氧化鎂鍛燒，以排除C02和水分；2)將二氧化硅烘干；3)將鍛燒后的氧化鎂和烘干后的二氧化硅混合，預(yù)燒；4)將預(yù)燒后的氧化鎂和二氧化硅混合物球磨，干燥；5)將球磨、干燥后的氧化鎂和二氧化硅混合物與造孔材料混合均勻后添加粘結(jié)劑，造粒；6)將造粒后的粉料壓片，燒結(jié)，得硅酸鎂陶瓷透波材料在步驟l)中，所述鍛燒可在馬弗爐內(nèi)鍛燒，鍛燒的溫度最好為50090(TC，鍛燒的時(shí)間最好為l3h，氧化鎂最好采用分析純氧化鎂，氧化鎂的粒徑最好為0.51(Him。在步驟2)中，烘干的溫度最好為100150°C，烘干的時(shí)間最好為1224h，所述二氧化硅最好采用分析純二氧化硅，二氧化硅的粒徑最好小于lpm。在步驟3)中，按質(zhì)量比，氧化鎂二氧化硅最好為(22.1):1，所述預(yù)燒的溫度最好為10001200°C，預(yù)燒的時(shí)間最好為24h。在步驟4)中，所述球磨可以二氧化鋯球和水為球磨介質(zhì)，球磨的時(shí)間最好為46h，干燥的溫度最好為100150°C。在步驟5)中，所述粘結(jié)劑可選用聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇聚合度最好為16001800;按質(zhì)量百分比，聚乙烯醇水溶液的濃度最好為5%~10%，粘結(jié)劑的添加量最好為球磨、干燥后的氧化鎂和二氧化硅混合物總質(zhì)量的0.5%5%;造粒后粉料的粒徑最好為10030(Him。在步驟6)中，所述壓片最好在100300MPa單向壓力下將粉料干壓成型，所述燒結(jié)最好在空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度最好為12801360°C，燒結(jié)后最好保溫120240min。4由于本發(fā)明利用粘結(jié)劑進(jìn)行造粒，因此可得到勻質(zhì)坯體，燒結(jié)后，大量的造空材料碳化后留下氣孔，使得整體的材料的介電性能優(yōu)良。同時(shí)氧化鎂和石英反應(yīng)生成硅酸鎂晶體，從而使整體材料的強(qiáng)度增加，熱學(xué)性能也得到改善。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，本發(fā)明多孔陶瓷透波材料的技術(shù)性能指標(biāo)如下密度〈2.5g/cm3，室溫抗彎強(qiáng)度o"-2050MPa，導(dǎo)熱系數(shù)(室溫)<1.0W/m.k，熱膨脹系數(shù)小于3xl(T6/°C，10~20GHz頻段下介電常數(shù)Sr<3.7，Qxf值〉9432GHz，介電損耗<0細(xì)8。本發(fā)明所述硅酸鎂陶瓷透波材料，不僅具有良好的力學(xué)、熱學(xué)性能，強(qiáng)度高，導(dǎo)熱低，熱膨脹小，而且具有優(yōu)異的介電性能，介電常數(shù)Sr<3.7，Qxf值〉9432GHz，介電損耗<0.0018,具有較高的透過(guò)率的應(yīng)用要求，本發(fā)明制備方法科學(xué)合理，簡(jiǎn)單易行，便于實(shí)施。圖1為本發(fā)明實(shí)施例15硅酸鎂陶瓷透波材料的XRD物相分析圖。在圖1中，橫坐標(biāo)為29(deg.)，e為衍射角，縱坐標(biāo)為衍射強(qiáng)度intensity(arb.unit);從上至下，各實(shí)施例中的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間分別為(5條曲線(xiàn))實(shí)施例l:1360'O2h，實(shí)施例2:134(TCx2h，實(shí)施例3:1320。Cx2h，實(shí)施例4:1300'O2h，實(shí)施例5:1280。Cx2h;*為Mg2Si04，*為Si02，■為MgO，#為MgSi03。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1本發(fā)明硅酸鎂陶瓷材料的制備方法如下稱(chēng)取100g粒徑為0.510pm的高純MgO粉，先放在馬弗爐里在70(TC下鍛燒2h，以排除C02和水分；再將100g粒徑小于ljim的分析純Si02放在干燥箱里在IO(TC烘干24h,以免因吸潮而帶來(lái)的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過(guò)后的原料按MgO/Si02配比R=2精確稱(chēng)量后配料。將配好的粉料、Zr02球和去離子水以1:1:2比例放入密封性良好的瑪瑙罐中，裝入行星磨球磨機(jī)上球磨后干燥，再將干燥得到的Mg2Si04陶瓷粉體放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中100(TC空氣氣氛中預(yù)燒4h,使原料粉末充分反應(yīng)，將預(yù)燒好的粉料二次球磨5h后120'C下充分干燥。采用手工造粒加外加經(jīng)預(yù)燒形成硅酸鎂粉料的重量的30%碳粉及1%的粘結(jié)劑后控制粒度在150pm。然后在250MPa單向壓力下將粉末干壓成型，在空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為128(TC，高溫保溫180分鐘燒成，制的本發(fā)明的硅酸鎂陶瓷透波材料。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表l。表1技術(shù)性能檢測(cè)表密度氣孔率抗彎強(qiáng)度導(dǎo)熱系數(shù)介電介電(g/cm3)(%)(MPa)(W/m-k)常數(shù)損耗1.9632.3%240.333.020篇1實(shí)施例2本發(fā)明硅酸鎂陶瓷材料的制備方法如下稱(chēng)取100g粒徑為0.510nm的高純MgO粉，先放在馬弗爐里在50(TC下鍛燒3h，以排除C02和水分；再將100g粒徑小于1,的分析純Si02放在干燥箱里在120'C烘干18h，以免因吸潮而帶來(lái)的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過(guò)后的原料按MgO/SiCb配比R=2.05精確稱(chēng)量后配料。將配好的粉料、Zr02球和去離子水以1:1:2比例放入密封性良好的瑪瑙罐中，裝入行星磨球磨機(jī)上球磨后干燥，再將干燥得到的Mg2Si04陶瓷粉體放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中110(TC空氣氣氛中預(yù)燒3h，使原料粉末充分反應(yīng)，將預(yù)燒好的粉料二次球磨4h后15(TC下充分干燥。采用手工造粒加外加經(jīng)預(yù)燒形成硅酸鎂粉料的重量的20%碳酸氫銨及5%的粘結(jié)劑后控制粒度在100nm。然后在150MPa單向壓力下將粉末干壓成型，在空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1360。C，高溫保溫120分鐘燒成，制的本發(fā)明的硅酸鎂陶瓷透波材料。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表2。表2技術(shù)性能檢測(cè)表密度氣孔率抗彎強(qiáng)度導(dǎo)熱系數(shù)介電介電(g/cm3)(%)(MPa)(W/m-k)常數(shù)損耗1.6841.9%130.392.970週8實(shí)施例3本發(fā)明硅酸鎂陶瓷材料的制備方法如下稱(chēng)取100g粒徑為0.510nm的高純MgO粉，先放在馬弗爐里在900'C下鍛燒lh，以排除C02和水分；再將100g粒徑小于lpm的分析純Si02放在干燥箱里在150'C烘干12h,以免因吸潮而帶來(lái)的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過(guò)后的原料按MgO/Si02配比R=2.1精確稱(chēng)量后配料。將配好的粉料、Zr02球和去離子水以1:1:2比例放入密封性良好的瑪瑙罐中，裝入行星磨球磨機(jī)上球磨后干燥，再將干燥得到的Mg2Si04陶瓷粉體放入氧化6鋁坩堝后置于馬弗爐中115(TC空氣氣氛中預(yù)燒3h，使原料粉末充分反應(yīng)，將預(yù)燒好的粉料二次球磨6h后在IO(TC下充分干燥。采用手工造粒加外加經(jīng)預(yù)燒形成硅酸鎂粉料的重量的10%碳酸氫銨及0.5%的粘結(jié)劑后控制粒度在300^m。然后在200MPa單向壓力下將粉末干壓成型，在空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為134(TC，高溫保溫120分鐘燒成，制的本發(fā)明的硅酸鎂陶瓷透波材料。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表3。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例4本發(fā)明硅酸鎂陶瓷材料的制備方法如下稱(chēng)取100g粒徑為0.510阿的高純MgO粉，先放在馬弗爐里在80(TC下鍛燒2h，以排除C02和水分；再將100g粒徑小于"m的分析純Si02放在干燥箱里在130'C烘干18h，以免因吸潮而帶來(lái)的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過(guò)后的原料按MgO/Si02配比11=2.05精確稱(chēng)量后配料。將配好的粉料、Zr02球和去離子水以1:1:2比例放入密封性良好的瑪瑙罐中，裝入行星磨球磨機(jī)上球磨后干燥，再將干燥得到的Mg2Si04陶瓷粉體放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中1200'C空氣氣氛中預(yù)燒2h，使原料粉末充分反應(yīng)，將預(yù)燒好的粉料二次球磨4h后在IOO'C下充分干燥。采用手工造粒加外加經(jīng)預(yù)燒形成硅酸鎂粉料的重量的30%小麥粉及1.5%的粘結(jié)劑后控制粒度在150pm。然后在100MPa單向壓力下將粉末干壓成型，在空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為136(TC，高溫保溫120分鐘燒成，制的本發(fā)明的硅酸鎂陶瓷透波材料。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例5本發(fā)明硅酸鎂陶瓷材料的制備方法如下-稱(chēng)取100g粒徑為0.510nm的高純MgO粉，先放在馬弗爐里在60(TC下鍛燒3h，以排除C02和水分；再將100g粒徑小于lpm的分析純Si02放在干燥箱里在120。C烘干24h，以免因吸潮而帶來(lái)的化學(xué)計(jì)量比偏移。用精密電子天平將處理過(guò)后的原料按MgO/Si02配比11=2.05精確稱(chēng)量后配料。將配好的粉料、Zr02球和去離子水以1:1:2比例放入密封性良好的瑪瑙罐中，裝入行星磨球磨機(jī)上球磨后干燥，再將干燥得到的Mg2Si04陶瓷粉體放入氧化鋁坩堝后置于馬弗爐中125(TC空氣氣氛中預(yù)燒3h，使原料粉末充分反應(yīng)，將預(yù)燒好的粉料二次球磨5h后在140'C下充分干燥。采用手工造粒加外加經(jīng)預(yù)燒形成硅酸鎂粉料的重量的30%玉米淀粉及3%的粘結(jié)劑后控制粒度在200pm。然后在300MPa單向壓力下將粉末干壓成型，在空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為132(TC，高溫保溫120分鐘燒成，制的本發(fā)明的硅酸鎂陶瓷透波材料。材料樣品經(jīng)測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)如表5。表5技術(shù)性能檢測(cè)表密度氣孔率抗彎強(qiáng)度導(dǎo)熱系數(shù)介電介電(g/cm3)(%)(MPa)(W/m.k)常數(shù)損耗1.6244.0%120.652.470.0010圖1給出本發(fā)明實(shí)施例15硅酸鎂陶瓷透波材料的XRD物相分析圖，從圖1可見(jiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度為128(TC并保溫2h時(shí)，陶瓷樣品中還有少量的Si02和MgO沒(méi)有反應(yīng)完全，隨著燒結(jié)溫度的提高，Si02和MgO相逐漸減少，表明SiCb和MgO進(jìn)一步發(fā)生了反應(yīng)。當(dāng)燒結(jié)溫度為1320'C并保溫2h時(shí)，陶瓷樣品中出現(xiàn)了大量的Mg2Si04相，但是依然還有少量的MgSi03和MgO相存在，表明燒結(jié)溫度有些低，MgSi03和MgO沒(méi)有完全反應(yīng)生成單一的Mg2Si04相。由于MgSi03相的存在會(huì)嚴(yán)重的影響其制備的樣品的性能。而后增加燒結(jié)溫度，又延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以很明顯的降低MgSi03和MgO相，得到單一的硅酸鎂晶相。權(quán)利要求1.硅酸鎂陶瓷透波材料，其特征在于其組成包括原料和造孔材料，原料的組成為氧化鎂和二氧化硅，按質(zhì)量百分比，氧化鎂和二氧化硅的含量為氧化鎂65％～75％，二氧化硅35％～25％；按質(zhì)量百分比，所述造孔材料的含量為氧化鎂和二氧化硅總質(zhì)量的5％～30％。2.如權(quán)利要求1所述的硅酸鎂陶瓷透波材料，其特征在于所述造孔材料為碳粉、碳酸氫銨、小麥粉、玉米淀粉中的至少一種。3.如權(quán)利要求1所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將氧化鎂鍛燒，以排除C02和水分；2)將二氧化硅烘干；3)將鍛燒后的氧化鎂和烘干后的二氧化硅混合，預(yù)燒；4)將預(yù)燒后的氧化鎂和二氧化硅混合物球磨，干燥；5)將球磨、干燥后的氧化鎂和二氧化硅混合物與造孔材料混合均勻后添加粘結(jié)劑，造粒；6)將造粒后的粉料壓片，燒結(jié)，得硅酸鎂陶瓷透波材料4.如權(quán)利要求3所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法，其特征在于在步驟l)中，所述鍛燒是在馬弗爐內(nèi)鍛燒，鍛燒的溫度為500900'C，鍛燒的時(shí)間為l3h。5.如權(quán)利要求3所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法，其特征在于在步驟2)中，烘干的溫度為100~150°C，烘干的時(shí)間為1224h。6.如權(quán)利要求3所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法，其特征在于在步驟3)中，按質(zhì)量比，氧化鎂二氧化硅為22.1:l;所述預(yù)燒的溫度為10001200。C，預(yù)燒的時(shí)間為24h。7.如權(quán)利要求3所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述球磨以二氧化鋯球和水為球磨介質(zhì)，球磨的時(shí)間為46h，干燥的溫度為100150°C。8.如權(quán)利要求3所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法，其特征在于在步驟5)中，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇聚合度為16001800;按質(zhì)量百分比，聚乙烯醇水溶液的濃度為5%10%，粘結(jié)劑的添加量為球磨、干燥后的氧化鎂和二氧化硅混合物總質(zhì)量的0.5%5%;造粒后粉料的粒徑為100300nm。9.如權(quán)利要求3所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法，其特征在于在步驟6)中，所述壓片在100300MPa單向壓力下將粉料干壓成型。10.如權(quán)利要求3所述的硅酸鎂陶瓷透波材料的制備方法，其特征在于在步驟6)中，所述燒結(jié)在空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為12801360°C，燒結(jié)后保溫120240min。全文摘要硅酸鎂陶瓷透波材料及其制備方法，涉及一種特種、功能陶瓷材料。提供一種密度低、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱低、熱膨脹小、介電性能好的硅酸鎂陶瓷透波材料及其制備方法。原料為氧化鎂、二氧化硅和造孔材料，按質(zhì)量百分比，造孔材料的含量為氧化鎂和二氧化硅總質(zhì)量的5％～30％，氧化鎂和二氧化硅的含量為氧化鎂65％～75％，二氧化硅35％～25％。將氧化鎂鍛燒，以排除CO₂和水分；將二氧化硅烘干；將鍛燒后的氧化鎂和烘干后的二氧化硅混合，預(yù)燒；將預(yù)燒后的氧化鎂和二氧化硅混合物球磨，干燥；將球磨、干燥后的氧化鎂和二氧化硅混合物與造孔材料混合均勻后添加粘結(jié)劑，造粒；將造粒后的粉料壓片，燒結(jié)，得硅酸鎂陶瓷透波材料。文檔編號(hào)C04B35/16GK101560090SQ20091011189公開(kāi)日2009年10月21日申請(qǐng)日期2009年5月21日優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日發(fā)明者周明勇,熊兆賢,昊薛,鄭建森申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)