專利名稱：碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吸波材料及其制備，尤其涉及ー種石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
微波吸收材料，是指能夠吸收投射到它表面的電磁波能量，并通過材料的損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿末`類材料。這類材料已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于電磁屏蔽及隱身技術(shù)等領(lǐng)域。根據(jù)服役環(huán)境的不同，微波吸收材料可以分為常溫吸波材料以及高溫吸波材料。目前，國內(nèi)外高溫吸波材料的研制主要集中在陶瓷基復(fù)合材料方面，其中，碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料是較為理想的選擇，但其成本較高；石英纖維增強(qiáng)ニ氧化硅(SiO2f/ SiO2)復(fù)合材料由于其低密度、耐燒蝕、耐高溫、抗熱沖擊性能、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是ー種很好的、適于高溫服役的透波材料，并且已經(jīng)成功地應(yīng)用于天線罩和天線窗中。但SiO2f/ SiO2M合材料的介電常數(shù)和介電損耗較低，難以直接實(shí)現(xiàn)吸波功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種原料來源廣泛、成本低、制作簡單、介電常數(shù)具有很好的頻散特性、能夠滿足高溫微波吸波材料要求的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷，同時(shí)還提供ー種エ藝步驟簡單、エ藝成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好的的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為ー種碳化硅(SiC)微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷，所述吸波陶瓷是以ニ氧化硅為基體，以石英纖維作為增強(qiáng)相，以碳化硅微粉為填料；所述增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)為30vol. % 60vol. %，所述基體與所述碳化硅微粉的質(zhì)量比為I : 2 4 : I。上述的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷中，所述SiC微粉優(yōu)選為^41(，純度>99. 9%，SiC微粉的平均粒徑優(yōu)選為O. I μ m 10 μ m。上述本發(fā)明的吸波陶瓷中，采用了具有耐高溫、抗氧化和優(yōu)異介電性能的半導(dǎo)體SiC微粉作為填料，將該填料引入到SiO2f/ SiO2復(fù)合材料中，以更好地實(shí)現(xiàn)SiO2f/ SiO2復(fù)合材料的吸波功能，拓寬高溫吸波領(lǐng)域的材料體系，推動(dòng)高溫吸波領(lǐng)域的進(jìn)ー步發(fā)展。作為ー個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供ー種上述碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷的制備方法，包括以下步驟
(1)材料準(zhǔn)備準(zhǔn)備硅溶膠、石英纖維預(yù)制件以及半導(dǎo)體SiC陶瓷微粉；
(2)制備漿料將所述硅溶膠和SiC陶瓷微粉按照90 10 60 40的質(zhì)量比混料并充分?jǐn)嚢瑁?br> (3)浸潰將所述的石英纖維預(yù)制件浸潰于上述步驟(2)制得的漿料中，先進(jìn)行真空浸潰，然后進(jìn)行加壓浸潰；(4)凝膠將上述步驟(3)浸潰后的石英纖維預(yù)制件在真空條件下凝膠；
(5)燒結(jié)將上述步驟(4)凝膠后的預(yù)成型體在惰性氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)；
(6)致密化將上述步驟(5)燒結(jié)后的半成品先重復(fù)數(shù)次所述浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，然后將所述步驟(3)中用于浸潰的漿料替換成(純的)硅溶膠，再重復(fù)數(shù)次硅溶膠浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，直至完成致密化，制得碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷。上述的制備方法中，所述娃溶膠的溶膠粒徑優(yōu)選在20nm 40nm,固含量優(yōu)選大于30%，pH值優(yōu)選在3 6。上述的制備方法中，所述SiC微粉優(yōu)選為a -SiC,純度> 99. 9%，SiC微粉的粒徑優(yōu)選為O. I μ m 10 μ m。
上述的制備方法，所述浸潰步驟中，真空浸潰的真空度優(yōu)選控制在IOOPa以下，真空浸潰時(shí)間優(yōu)選為2h 8h。上述的制備方法，所述浸潰步驟中，加壓浸潰充填的加壓氣體優(yōu)選為惰性氣體，惰性氣體壓力優(yōu)選控制在IMPa 6MPa，加壓浸潰的保壓時(shí)間優(yōu)選為2h 8h。上述的制備方法，所述凝膠步驟中，凝膠溫度優(yōu)選控制在120°C 150°C，凝膠時(shí)的升溫速率優(yōu)選為O. 5V /min 5で/min,凝膠保溫時(shí)間為4h 8h。上述的制備方法，所述燒結(jié)步驟中，燒結(jié)溫度優(yōu)選控制在600°C 800°C，燒結(jié)時(shí)的升溫速率優(yōu)選為l°c /min 10°C /min,保溫時(shí)間優(yōu)選為30min 120min。上述的制備方法，所述致密化步驟中，所述浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程的重復(fù)次數(shù)優(yōu)選為3 6次，所述硅溶膠浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程的重復(fù)次數(shù)優(yōu)選為4 10次。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
I.本發(fā)明的吸波陶瓷所采用的原料(SiC微粉、石英纖維、硅溶膠)均已經(jīng)在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了商品化，原料來源廣泛且價(jià)格低廉；本發(fā)明的產(chǎn)品和方法豐富了高溫吸波領(lǐng)域現(xiàn)有的材料體系，有利于推動(dòng)高溫吸波領(lǐng)域的進(jìn)ー步發(fā)展。2.本發(fā)明吸波陶瓷的制備方法，不僅エ藝步驟簡單，所需設(shè)備投資少，容易操作且制品的介電性能容易控制；整個(gè)エ藝過程中無有害、有毒的污染物產(chǎn)生，與環(huán)境相容性好。3.本發(fā)明的制備方法制得的吸波陶瓷材料，介電常數(shù)(ε '和ε ")具有很好的頻散特性，在8GHz 18GHz范圍內(nèi)，小于-IOdB的帶寬可以達(dá)到6GHz，能夠滿足高溫微波吸波材料的要求。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例2所采用的SiC微粉的介電常數(shù)ε'和ε "與頻率的關(guān)系曲線。圖2為本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的SiC微粉填料的Si02f/Si02復(fù)合材料的光學(xué)照片。圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的SiC微粉填料的Si02f/Si02復(fù)合材料的介電常數(shù)ε Z與頻率的曲線。圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的SiC微粉填料的Si02f/Si02復(fù)合材料的介電常數(shù)ε 〃與頻率的曲線。圖5為本發(fā)明實(shí)施例2制備得到的SiC微粉填料的Si02f/Si02復(fù)合材料的反射率與頻率的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步描述。實(shí)施例I : 一種本發(fā)明的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷，該吸波陶瓷是以ニ氧化硅為基體，以石英纖維作為增強(qiáng)相，以碳化硅微粉為填料，碳化硅微粉為a -SiC，純度>99. 9%，碳化硅微粉的平均粒徑為O. 5 μ m ;增強(qiáng)相(石英纖維構(gòu)成的預(yù)制件)的體積分?jǐn)?shù)為44. 7vol. %，基體與碳化硅微粉的質(zhì)量比為3. 6 I。本實(shí)施例的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷的制備方法，包括以下步驟
(1)材料準(zhǔn)備準(zhǔn)備硅溶膠，硅溶膠的溶膠粒徑為29nm，固含量為32.7%，pH值為3 ;準(zhǔn)備石英纖維布穿刺縫合編織件，纖維體積分?jǐn)?shù)44. 7vol. %，Z向纖維密度6/cm2 ；SiC陶瓷微粉(鄭州第二砂輪廠)為a -SiC,純度> 99. 9%，SiC微粉的平均粒徑為O. 5 μ m ;
(2)制備漿料將準(zhǔn)備的硅溶膠和SiC陶瓷微粉按照9 I的質(zhì)量比混料并且充分?jǐn)嚢?，得到SiC陶瓷微粉均勻分布在硅溶膠中的漿料；
(3)浸潰將準(zhǔn)備的石英纖維布穿刺縫合編織件浸潰于上述步驟(2)制得的漿料中，先進(jìn)行真空浸潰，真空浸潰時(shí)的真空度為65Pa，真空浸潰時(shí)間為4h ;然后加壓浸潰，加壓氣體為N2，氣壓為6MPa，保壓時(shí)間為2h ；
(4)凝膠將上述步驟(3)浸潰后的石英纖維布穿刺縫合編織件在真空條件下凝膠，凝膠溫度為120°C，凝膠時(shí)的升溫速率為O. 5°C /min，凝膠保溫時(shí)間為4h ；
(5)燒結(jié)將凝膠后的預(yù)成型體置于惰性氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，以3°C/min的速率升溫到800 C，保溫時(shí)間為30min，保溫結(jié)束后自然冷卻；
(6)致密化將上述步驟(5)燒結(jié)后的半成品先重復(fù)5次上述的浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，然后將步驟(3)中用于浸潰的漿料替換成純硅溶膠，再重復(fù)5次硅溶膠浸清-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，直至完成復(fù)合材料致密化，即制得碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷。對(duì)上述制得的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷進(jìn)行檢測(cè)，其介電常數(shù)在測(cè)試頻率為8GHz 18GHz的范圍內(nèi)，具有很好的頻散特性，其反射率在-IOdB以下的帶寬達(dá)到了 3. 2GHz，并且在14. 73GHz的吸收峰達(dá)到了最大，為_11. 26dB，達(dá)到了吸波材料所要求的介電性能。實(shí)施例2
一種如圖2所示的本發(fā)明的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷，該吸波陶瓷是以ニ氧化硅為基體，以石英纖維作為增強(qiáng)相，以碳化硅微粉為填料，碳化硅微粉為a -SiC，純度> 99. 9%，碳化硅微粉的平均粒徑為O. 4μ m ;增強(qiáng)相(石英纖維構(gòu)成的預(yù)制件)的體積分?jǐn)?shù)為45. 2vol. %，基體與碳化硅微粉的質(zhì)量比為1.6 I。本實(shí)施例的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷的制備方法，包括以下步驟
(1)材料準(zhǔn)備準(zhǔn)備硅溶膠，硅溶膠的溶膠粒徑為26nm，固含量為32.7%，pH值為6 ;準(zhǔn)備石英纖維布穿刺縫合編織件，纖維體積分?jǐn)?shù)45. 2vol. %，Z向纖維密度12/cm2 ;所選SiC陶瓷微粉為鄭州第二砂輪廠生產(chǎn)，a -SiC,純度> 99. 9%，SiC微粉的平均粒徑為O. 4 μ m，其介電常數(shù)ε '和ε "與頻率的關(guān)系曲線如圖I所示；
(2)制備漿料將準(zhǔn)備的硅溶膠和SiC陶瓷微粉按照8 2的質(zhì)量比混料并且充分?jǐn)嚢?，得到SiC陶瓷微粉均勻分布在硅溶膠中的漿料；
(3)浸潰將準(zhǔn)備的石英纖維布穿刺縫合編織件浸潰于上述步驟(2)制得的漿料中，先 進(jìn)行真空浸潰，真空浸潰時(shí)的真空度為96Pa，真空浸潰時(shí)間為2h ;然后加壓浸潰，加壓氣體為N2，氣壓為4MPa，保壓時(shí)間為2h ；
(4)凝膠將上述步驟(3)浸潰后的石英纖維布穿刺縫合編織件在真空條件下凝膠，凝膠溫度為150°C，凝膠時(shí)的升溫速率為5°C /min，凝膠時(shí)間為4h ；
(5)燒結(jié)將凝膠后的預(yù)成型體置于惰性氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，以5°C/min的速率升溫到750°C，保溫時(shí)間為40min，保溫結(jié)束后自然冷卻；
(6)致密化將上述步驟(5)燒結(jié)后的半成品先重復(fù)4次上述的浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，然后將步驟(3)中用于浸潰的漿料替換成純硅溶膠，再重復(fù)4次硅溶膠浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，直至完成復(fù)合材料致密化，即制得碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷。對(duì)上述制得的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷進(jìn)行檢測(cè)，其介電常數(shù)在測(cè)試頻率為8GHz 18GHz的范圍內(nèi)，具有很好的頻散特性(如圖3和圖4所示);其反射率在-IOdB以下的帶寬達(dá)到了 6GHz，并且在11.85GHz的吸收峰達(dá)到了最大，為_25. 74dB，達(dá)到了吸波材料所要求的介電性能(如圖5所示)。實(shí)施例3
一種本發(fā)明的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷，該吸波陶瓷是以ニ氧化硅為基體，以石英纖維作為增強(qiáng)相，以碳化硅微粉為填料，碳化硅微粉為a -SiC，純度>99. 9%，碳化硅微粉的平均粒徑為O. 2 μ m ;增強(qiáng)相(石英纖維構(gòu)成的預(yù)制件)的體積分?jǐn)?shù)為42. 9vol. %，基體與碳化硅微粉的質(zhì)量比為3/5。本實(shí)施例的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷的制備方法，包括以下步驟
(1)材料準(zhǔn)備準(zhǔn)備硅溶膠，硅溶膠的溶膠粒徑為32nm，固含量為32.7%，pH值為5 ;準(zhǔn)備石英纖維布穿刺縫合編織件，纖維體積分?jǐn)?shù)42. 9vol. %，Z向纖維密度10/cm2 ;所選SiC陶瓷微粉為鄭州第二砂輪廠生產(chǎn)，a -SiC,純度> 99. 9%，SiC微粉的平均粒徑為O. 2 μ m ;
(2)制備漿料將準(zhǔn)備的硅溶膠和SiC陶瓷微粉按照6 4的質(zhì)量比混料并且充分?jǐn)嚢?，得到SiC陶瓷微粉均勻分布在硅溶膠中的漿料；
(3)浸潰將準(zhǔn)備的石英纖維布穿刺縫合編織件浸潰于上述步驟(2)制得的漿料中，先進(jìn)行真空浸潰，真空浸潰時(shí)的真空度為75Pa，真空浸潰時(shí)間為3h ;然后加壓浸潰，加壓氣體為N2，氣壓為6MPa，保壓時(shí)間為2h ；
(4)凝膠將上述步驟(3)浸潰后的石英纖維布穿刺縫合編織件在真空條件下凝膠，凝膠溫度為140°C，凝膠時(shí)的升溫速率為O. 5°C /min，凝膠保溫時(shí)間為4h ；(5)燒結(jié)將凝膠后的預(yù)成型體置于惰性氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，以1°C/min的速率升溫到700°C，保溫時(shí)間為60min，保溫結(jié)束后自然冷卻；
(6)致密化將上述步驟(5)燒結(jié)后的半成品先重復(fù)3次上述的浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，然后將步驟(3)中用于浸潰的漿料替換成純硅溶膠，再重復(fù)6次硅溶膠浸清-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，直至完成復(fù)合材料致密化，即制得碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷。對(duì)上述制得的碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷進(jìn)行檢測(cè)，其介電常數(shù)在測(cè)試頻率為8GHz 18GHz的范圍內(nèi)，具有很好的頻散特性；其反射率在-IOdB以下的 帶寬達(dá)到了 4. 5GHz，并且在12. 2GHz的吸收峰達(dá)到了最大，為_12. 8dB，達(dá)到了吸波材料所要求的介電性能。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷，所述吸波陶瓷是以ニ氧化硅為基體，以石英纖維作為增強(qiáng)相，其特征在于以碳化硅微粉為填料；所述增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)為30vol. % 60vol. %，所述基體與所述碳化硅微粉的質(zhì)量比為I : 2 4 : I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷，其特征在于所述碳化硅微粉為a -SiC,純度> 99. 9%，碳化硅微粉的平均粒徑為O. I μ m 10 μ m。
3.一種碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷的制備方法，包括以下步驟 (1)材料準(zhǔn)備準(zhǔn)備硅溶膠、石英纖維預(yù)制件以及半導(dǎo)體碳化硅陶瓷微粉； (2)制備漿料將所述硅溶膠和碳化硅陶瓷微粉按照90 10 60 40的質(zhì)量比混料并充分?jǐn)嚢瑁? (3)浸潰將所述的石英纖維預(yù)制件浸潰于上述步驟(2)制得的漿料中，先進(jìn)行真空浸潰，然后進(jìn)行加壓浸潰； (4)凝膠將上述步驟(3)浸潰后的石英纖維預(yù)制件在真空條件下凝膠； (5)燒結(jié)將上述步驟(4)凝膠后的預(yù)成型體在惰性氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)； (6)致密化將上述步驟(5)燒結(jié)后的半成品先重復(fù)數(shù)次所述浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，然后將所述步驟(3)中用于浸潰的漿料替換成硅溶膠，再重復(fù)數(shù)次硅溶膠浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程，直至完成致密化，制得碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述硅溶膠的溶膠粒徑在20nm 40nm,固含量大于30%，pH值在3 6。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在干所述碳化硅微粉為^_3冗，純度>99. 9%，碳化硅微粉的平均粒徑為O. I μ m 10 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述浸潰步驟中，真空浸潰的真空度控制在IOOPa以下，真空浸潰時(shí)間為2h 8h。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述浸潰步驟中，加壓浸潰充填的加壓氣體為惰性氣體，惰性氣體壓力控制在IMPa 6MPa，加壓浸潰的保壓時(shí)間為2h 8h。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述凝膠步驟中，凝膠溫度控制在120°C 150°C，凝膠時(shí)的升溫速率為O. 50C /min 5°C /min，凝膠保溫時(shí)間為4h 8h。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述燒結(jié)步驟中，燒結(jié)溫度控制在600°C 800°C，燒結(jié)時(shí)的升溫速率為1°C /min 10°C /min，保溫時(shí)間為30min 120min。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述致密化步驟中，所述浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程的重復(fù)次數(shù)為3 6次，所述硅溶膠浸潰-凝膠-燒結(jié)エ藝過程的重復(fù)次數(shù)為4 10次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化硅微粉填料的石英纖維增強(qiáng)石英吸波陶瓷及其制備方法，吸波陶瓷是以二氧化硅為基體，以體積分?jǐn)?shù)為30%～60%的石英纖維作為增強(qiáng)相，以碳化硅微粉為填料；基體與碳化硅微粉的質(zhì)量比為1∶2～4∶1。本發(fā)明的制備方法包括以下步驟將硅溶膠和碳化硅微粉按配比混勻；然后將石英纖維預(yù)制件依次進(jìn)行真空浸漬和加壓浸漬；再在真空條件下凝膠；凝膠后的預(yù)成型體進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)；燒結(jié)后先重復(fù)浸漬-凝膠-燒結(jié)工藝，然后將漿料替換成硅溶膠，再重復(fù)數(shù)次硅溶膠浸漬-凝膠-燒結(jié)工藝，直至完成致密化即可。本發(fā)明的吸波陶瓷原料來源廣泛，成本低，制作簡單，介電常數(shù)具有很好的頻散特性，能夠滿足高溫微波吸波材料性能要求。
文檔編號(hào)C04B35/80GK102643102SQ20121013904
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者劉海韜, 周永江, 田 浩, 程海峰 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)