多孔氮化硅陶瓷天線罩材料制備及性能研究

背景介紹

導(dǎo)彈天線罩作為導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)重要組成部件，必須同時(shí)滿足透波、承載、防熱、抗沖擊等多種功能要求。多孔氮化硅（Si3N4）陶瓷中特殊的棒狀晶組織結(jié)構(gòu)，使其材料性能具有低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、低介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)封孔涂層處理后制備的導(dǎo)彈天線罩，成為新型導(dǎo)彈配套天線罩的重要候選材料。國(guó)內(nèi)多家科研單位針對(duì)多孔氮化硅陶瓷透波材料的制備和性能研究開(kāi)展了研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，在α-Si3N4粉原料中加入纖維狀α-Si3N4粉制備多孔氮化硅陶瓷材料，有利于減小燒結(jié)收縮率和提高樣品氣孔率。

近日，上海玻璃鋼研究院有限公司的高級(jí)工程師趙中堅(jiān)沿著該思路，以純纖維狀α-Si3N4粉為主要原料，通過(guò)添加一定比例氧化物燒結(jié)助劑，經(jīng)冷等靜壓成型和氣氛保護(hù)無(wú)壓燒結(jié)工藝燒結(jié)制備出了能充分滿足高性能導(dǎo)彈天線罩使用要求的多孔氮化硅陶瓷。

圖文導(dǎo)讀

圖1為制備原料纖維狀氮化硅粉的形貌圖。從圖中可見(jiàn)，氮化硅粉微觀形貌呈細(xì)長(zhǎng)的纖維狀，長(zhǎng)約5 μm-8 μm，寬約0.5 μm，并存在少量長(zhǎng)約10 μm，寬約3 μm的粗大顆粒。其化學(xué)組成見(jiàn)表1。

圖1 纖維狀Si3N4粉原料SEM照片

表1 氮化硅粉化學(xué)組成

01

氧化釔粉顆粒度對(duì)材料性能影響

氮化硅作為一種強(qiáng)共價(jià)鍵化合物難以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，但是可通過(guò)加入氧化物燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)。圖2為氮化硅材料強(qiáng)度隨氧化釔粒徑（5.80 μm， 3.15 μm， 1.78 μm， 0.97 μm， 0.65 μm）的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，隨著氧化釔粉的D50由5.80 μm減小至0.65 μm，多孔氮化硅材料強(qiáng)度由65.8 MPa增至123.2 MPa，而且隨著氧化釔粒徑變小，材料強(qiáng)度增加的速度有加快的趨勢(shì)。

圖2 Y2O3粉粒徑對(duì)氮化硅陶瓷材料強(qiáng)度的影響

圖3為添加不同粒徑氧化釔粉制備的多孔氮化硅陶瓷材料的SEM照片，可以看出，隨著氧化釔粉粒徑由粗變細(xì)，燒結(jié)后的氮化硅陶瓷微觀組織形貌由粗短的棒狀晶逐漸變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)的棒狀晶。隨著其顆粒度變小，β-Si3N4棒狀晶的長(zhǎng)徑比增加，高長(zhǎng)徑比能使互相連接的長(zhǎng)顆粒能較好地抵抗裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致燒結(jié)材料強(qiáng)度增加。

圖3 不同粒徑Y(jié)2O3制備多孔氮化硅陶瓷SEM照片：（a） 5.80 μm；（b） 3.15 μm；（c） 1.78 μm；（d） 0.97 μm；（e） 0.65 μm

02

氮化硅顆粒度對(duì)材料性能的影響

只有嚴(yán)格控制原料粒徑大小，才能在燒結(jié)過(guò)程中制備出粒徑分布均勻，長(zhǎng)徑比高的棒狀β-Si3N4。表2列出了采用不同顆粒度氮化硅原料所制多孔氮化硅陶瓷的彎曲強(qiáng)度和密度、氣孔率。結(jié)合表2和圖4可知，隨著顆粒度由0.37 μm增至0.85 μm，材料密度由1.83

g/cm3降至1.48 g/cm3，氣孔率由42.7%增至53.2%，材料彎曲強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)。

表2 不同顆粒度氮化硅粉制備多孔氮化硅陶瓷對(duì)比試驗(yàn)

圖4 料漿顆粒度對(duì)多孔氮化硅陶瓷材料性能影響

圖5為四種不同顆粒度料漿制備的多孔氮化硅陶瓷SEM照片，可以看出，1#樣品呈粗短棒狀晶相互搭接狀，棒狀晶長(zhǎng)徑比約為3-5之間，2#、3#、4#樣品微觀形貌呈細(xì)長(zhǎng)棒狀晶交織狀，棒狀晶長(zhǎng)徑比明顯增加，約為10-15之間。

圖5 不同顆粒度料漿制備多孔氮化硅陶瓷SEM照片：（a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#

03

煅燒溫度對(duì)多孔氮化硅陶瓷性能的影響

在不同煅燒溫度制備多孔氮化硅陶瓷樣品，并測(cè)試其彎曲強(qiáng)度、密度、氣孔率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，從數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨著煅燒溫度的升高，材料彎曲強(qiáng)度有明顯提高，從78.7 MPa提高至164.4 MPa，而材料密度和氣孔率沒(méi)有顯著變化，四個(gè)樣品的密度分布在1.74 g/cm3-1.80 g/cm3較窄的范圍內(nèi)波動(dòng)。

表3 不同煅燒溫度對(duì)氮化硅陶瓷性能影響

圖6為不同煅燒溫度制備的多孔氮化硅陶瓷XRD圖譜。從圖6可見(jiàn)，1710 ℃燒結(jié)樣品中含有少量α-Si3N4相，當(dāng)煅燒溫度大于1730 ℃時(shí)，樣品中α-Si3N4完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Si3N4相，并含有極少量的Y2Si2O7相。

圖6 不同煅燒溫度制備多孔氮化硅陶瓷XRD圖譜

圖7為不同煅燒溫度制備多孔氮化硅陶瓷SEM照片。從圖中可以看出，四個(gè)樣品的微觀組織形貌有明顯的差異。煅燒溫度對(duì)β-Si3N4晶體的生長(zhǎng)形態(tài)有顯著的影響，煅燒溫度大于1750 ℃時(shí)，β-Si3N4晶體主要呈棒狀發(fā)育，有利于制備低密度、高強(qiáng)度多孔氮化硅陶瓷。

圖7 不同煅燒溫度制備多孔氮化硅陶瓷SEM照片：（a） 5#；（b） 6#；（c） 7#；（d） 8#

04

多孔氮化硅陶瓷介電性能

材料介電性能是決定其能否滿足導(dǎo)彈天線罩性能要求的關(guān)鍵性能參數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。從表4數(shù)據(jù)可以看出，隨著多孔氮化硅陶瓷材料密度增加，其氣孔率顯著降低，介電常數(shù)基本呈線性增加。彎曲強(qiáng)度主要受其微觀組織結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)控制制備工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)材料微觀組織結(jié)構(gòu)，提高β-Si3N4棒狀晶長(zhǎng)徑比，可實(shí)現(xiàn)低密度、低介電、高強(qiáng)度多孔氮化硅陶瓷的制備，滿足高性能導(dǎo)彈天線罩使用要求。

表4 多孔氮化硅陶瓷介電性能測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)論

（1） 燒結(jié)助劑Y2O3的顆粒度大小對(duì)多孔氮化硅陶瓷燒結(jié)性能有明顯影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著氧化釔粉平均顆粒度D50由5.80 μm減小至0.65 μm，多孔氮化硅材料強(qiáng)度由65.8 MPa增至123.2 MPa。

（2） 對(duì)于纖維狀氮化硅原料，隨著顆粒度由0.37 μm增至0.85 μm，材料密度由1.83g/cm3降至1.48g/cm3，氣孔率由42.7%增至53.2%，材料彎曲強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)。

（3） β-Si3N4棒狀晶長(zhǎng)徑比是影響多孔氮化硅陶瓷力學(xué)性能和介電性能的重要因素，通過(guò)控制制備工藝提高β-Si3N4棒狀晶長(zhǎng)徑比，制備了彎曲強(qiáng)度為154.53 MPa、密度為1.54 g/cm3、氣孔率為52.0%、介電常數(shù)為3.28的多孔氮化硅陶瓷，可滿足高性能導(dǎo)彈天線罩使用要求，并可根據(jù)使用要求實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的可調(diào)控設(shè)計(jì)。

審核編輯 ：李倩