一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体是涉及到一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料。

背景技术

多孔氮化硅陶瓷继承了氮化硅的高化学稳定性，优异的力学性能，高熔点和极低的热膨胀系数，而且具有相对较低的介电常数和介电损耗，因而在透波材料领域受到了广泛关注。但是，目前现有的透波陶瓷材料在确保陶瓷力学和介电性能的基础上，其热导率比较高。

因此，开发一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料，在保证透波陶瓷材料在确保陶瓷力学和介电性能的基础上，降低其热导率。

本发明的内容包括提供了一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料，包括如下步骤：

S1、将氮化硅粉末和烧结助剂，加入无水丙醇进行搅拌、球磨；

S2、向其中加入聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物，继续球磨，得到氮化硅基体浆料；

S3、将氮化硅基体浆料进行烘干、粉碎、研磨，得到氮化硅基体粉料；

S4、将氮化硅基体粉料成型，得到氮化硅基体坯料；

S5、将氮化硅基体坯料进行高温排胶处理；

S6、排胶处理的氮化硅基体坯料加入垫料进行填埋，并进行高温烧结处理，烧结完成后即可获得低热导率氮化硅透波陶瓷材料。

作为一种优选的技术方案，步骤S1中，所述烧结助剂采用透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的组合物。

作为一种优选的技术方案，步骤S1中，所述烧结助剂中，透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的重量比为5-8：5-7：30-35：1。

作为一种优选的技术方案，步骤S1中，所述氮化硅粉末和烧结助剂的重量比为80-85：15-20。

作为一种优选的技术方案，步骤S1中，球磨的速率为1500-1800r/min，球磨时间为3-5小时。

作为一种优选的技术方案，步骤S2中，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯均采用粒径为1500目的微球。

作为一种优选的技术方案，步骤S2中，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物中，两者的重量比为3-5：1。

作为一种优选的技术方案，步骤S2中，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物在所述氮化硅基体浆料重量比例为30-35％。

作为一种优选的技术方案，步骤S2中，球磨的速率为2000r/min，球磨时间为1.5-2.5小时。

作为一种优选的技术方案，步骤S3中，将所述氮化硅基体浆料在95-100℃下烘干，研磨至粒径为100-200目。

作为一种优选的技术方案，步骤S4中，氮化硅基体粉料成型是在120-150MPa的压力下进行等静压成型为长方体状的氮化硅基体坯料。

作为一种优选的技术方案，步骤S5中，所述排胶工艺为：将温度10分钟内升温至150℃后，以10℃/分钟的速率维持20分钟，升温至350℃后，维持30分钟；然后再以15℃/分钟的升温速率升温至600℃，并在600℃下维持45分钟；然后以5℃/分钟的速率降温至200℃，在该温度下维持20分钟。

作为一种优选的技术方案，步骤S6中，所述垫料采用氮化硅和氮化硼的混合物，两者重量比为1：2-3，且混合物在1500℃下进行了烧结处理。

作为一种优选的技术方案，步骤S6中，所述高温烧结的过程为：700℃下烧结45分钟；升温至1000℃，在该温度下维持65分钟；升温至1650℃，在该温度下维持50分钟；降温至600℃继续烧结50分钟。

作为一种优选的技术方案，步骤S6中，所述高温烧结过程中应保持真空。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种氮化硅透波陶瓷材料，发明人经过大量反复的试验，筛选了特定的工艺步骤和原料，在保证透波陶瓷材料在确保陶瓷力学和介电性能的基础上，通过试验证明，其热导率得到了一定程度的降低。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例1

一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料，包括如下步骤：

S1、将氮化硅粉末和烧结助剂，所述烧结助剂采用透辉石、钛酸钙、无水氟化镱、无水氟化钙的组合物，所述烧结助剂中，透辉石、钛酸钙、无水氟化镱、无水氟化钙的重量比为：5：5：30：1，所述氮化硅粉末和烧结助剂的重量比为80：15，加入无水丙醇进行搅拌、球磨，球磨的速率为1500r/min，球磨时间为3小时；

S2、向其中加入聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物在所述氮化硅基体浆料重量比例为30％，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯均采用粒径为1500目的微球，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物中，两者的重量比为3：1，继续球磨，球磨的速率为2000r/min，球磨时间为1.5小时，得到氮化硅基体浆料；

S3、将氮化硅基体浆料进行将所述氮化硅基体浆料在95℃下烘干，粉碎，研磨至粒径为100目，得到氮化硅基体粉料；

S4、将氮化硅基体粉料在120MPa的压力下进行等静压成型，得到长方体状的氮化硅基体坯料；

S5、将氮化硅基体坯料进行高温排胶处理，所述排胶工艺为：将温度10分钟内升温至150℃后，以10℃/分钟的速率维持20分钟，升温至350℃后，维持30分钟；然后再以15℃/分钟的升温速率升温至600℃，并在600℃下维持45分钟；然后以5℃/分钟的速率降温至200℃，在该温度下维持20分钟；

S6、排胶处理的氮化硅基体坯料加入垫料进行填埋，所述垫料采用氮化硅和氮化硼的混合物，两者重量比为1：2，且混合物在1500℃下进行了烧结处理，并进行高温烧结处理，高温烧结的过程为：700℃下烧结45分钟；升温至1000℃，在该温度下维持65分钟；升温至1650℃，在该温度下维持50分钟；降温至600℃继续烧结50分钟，高温烧结过程中应保持真空，烧结完成后即可获得低热导率氮化硅透波陶瓷材料。

实施例2

一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料，包括如下步骤：

S1、将氮化硅粉末和烧结助剂，所述烧结助剂采用透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的组合物，所述烧结助剂中，透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的重量比为：8：7：35：1，所述氮化硅粉末和烧结助剂的重量比为85：20，加入无水丙醇进行搅拌、球磨，球磨的速率为1800r/min，球磨时间为5小时；

S2、向其中加入聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物在所述氮化硅基体浆料重量比例为35％，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯均采用粒径为1500目的微球，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物中，两者的重量比为5：1，继续球磨，球磨的速率为2000r/min，球磨时间为2.5小时，得到氮化硅基体浆料；

S3、将氮化硅基体浆料进行将所述氮化硅基体浆料在100℃下烘干，粉碎，研磨至粒径为200目，得到氮化硅基体粉料；

S4、将氮化硅基体粉料在120-150MPa的压力下进行等静压成型，得到长方体状的氮化硅基体坯料；

S5、将氮化硅基体坯料进行高温排胶处理，所述排胶工艺为：将温度10分钟内升温至150℃后，以10℃/分钟的速率维持20分钟，升温至350℃后，维持30分钟；然后再以15℃/分钟的升温速率升温至600℃，并在600℃下维持45分钟；然后以5℃/分钟的速率降温至200℃，在该温度下维持20分钟；

S6、排胶处理的氮化硅基体坯料加入垫料进行填埋，所述垫料采用氮化硅和氮化硼的混合物，两者重量比为1：2-3，且混合物在1500℃下进行了烧结处理，并进行高温烧结处理，高温烧结的过程为：700℃下烧结45分钟；升温至1000℃，在该温度下维持65分钟；升温至1650℃，在该温度下维持50分钟；降温至600℃继续烧结50分钟，高温烧结过程中应保持真空，烧结完成后即可获得低热导率氮化硅透波陶瓷材料。

实施例3

一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料，包括如下步骤：

S1、将氮化硅粉末和烧结助剂，所述烧结助剂采用透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的组合物，所述烧结助剂中，透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的重量比为：6：6：32：1，所述氮化硅粉末和烧结助剂的重量比为83：17，加入无水丙醇进行搅拌、球磨，球磨的速率为1650r/min，球磨时间为4小时；

S2、向其中加入聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物在所述氮化硅基体浆料重量比例为34％，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯均采用粒径为1500目的微球，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物中，两者的重量比为4：1，继续球磨，球磨的速率为2000r/min，球磨时间为2小时，得到氮化硅基体浆料；

S3、将氮化硅基体浆料进行将所述氮化硅基体浆料在98℃下烘干，粉碎，研磨至粒径为150目，得到氮化硅基体粉料；

S4、将氮化硅基体粉料在140MPa的压力下进行等静压成型，得到长方体状的氮化硅基体坯料；

S5、将氮化硅基体坯料进行高温排胶处理，所述排胶工艺为：将温度10分钟内升温至150℃后，以10℃/分钟的速率维持20分钟，升温至350℃后，维持30分钟；然后再以15℃/分钟的升温速率升温至600℃，并在600℃下维持45分钟；然后以5℃/分钟的速率降温至200℃，在该温度下维持20分钟；

S6、排胶处理的氮化硅基体坯料加入垫料进行填埋，所述垫料采用氮化硅和氮化硼的混合物，两者重量比为1：2.5，且混合物在1500℃下进行了烧结处理，并进行高温烧结处理，高温烧结的过程为：700℃下烧结45分钟；升温至1000℃，在该温度下维持65分钟；升温至1650℃，在该温度下维持50分钟；降温至600℃继续烧结50分钟，高温烧结过程中应保持真空，烧结完成后即可获得低热导率氮化硅透波陶瓷材料。

实施例4

一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料，包括如下步骤：

S1、将氮化硅粉末和烧结助剂，所述烧结助剂采用透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的组合物，所述烧结助剂中，透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的重量比为：5：7：30：1，所述氮化硅粉末和烧结助剂的重量比为80：20，加入无水丙醇进行搅拌、球磨，球磨的速率为1800r/min，球磨时间为3小时；

S2、向其中加入聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物在所述氮化硅基体浆料重量比例为35％，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯均采用粒径为1500目的微球，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物中，两者的重量比为3：1，继续球磨，球磨的速率为2000r/min，球磨时间为2.5小时，得到氮化硅基体浆料；

S3、将氮化硅基体浆料进行将所述氮化硅基体浆料在100℃下烘干，粉碎，研磨至粒径为100目，得到氮化硅基体粉料；

S4、将氮化硅基体粉料在150MPa的压力下进行等静压成型，得到长方体状的氮化硅基体坯料；

S5、将氮化硅基体坯料进行高温排胶处理，所述排胶工艺为：将温度10分钟内升温至150℃后，以10℃/分钟的速率维持20分钟，升温至350℃后，维持30分钟；然后再以15℃/分钟的升温速率升温至600℃，并在600℃下维持45分钟；然后以5℃/分钟的速率降温至200℃，在该温度下维持20分钟；

S6、排胶处理的氮化硅基体坯料加入垫料进行填埋，所述垫料采用氮化硅和氮化硼的混合物，两者重量比为1：2，且混合物在1500℃下进行了烧结处理，并进行高温烧结处理，高温烧结的过程为：700℃下烧结45分钟；升温至1000℃，在该温度下维持65分钟；升温至1650℃，在该温度下维持50分钟；降温至600℃继续烧结50分钟，高温烧结过程中应保持真空，烧结完成后即可获得低热导率氮化硅透波陶瓷材料。

实施例5

一种低热导率氮化硅透波陶瓷材料，包括如下步骤：

S1、将氮化硅粉末和烧结助剂，所述烧结助剂采用透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的组合物，所述烧结助剂中，透辉石(CaMgSi2O6)、钛酸钙(CaTiO3)、无水氟化镱(YbF3)、无水氟化钙(CaF2)的重量比为：7：7：33：1，所述氮化硅粉末和烧结助剂的重量比为84：16，加入无水丙醇进行搅拌、球磨，球磨的速率为1700r/min，球磨时间为3-5小时；

S2、向其中加入聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物在所述氮化硅基体浆料重量比例为35％，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯均采用粒径为1500目的微球，所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛酯组合物中，两者的重量比为3：1，继续球磨，球磨的速率为2000r/min，球磨时间为2小时，得到氮化硅基体浆料；

S3、将氮化硅基体浆料进行将所述氮化硅基体浆料在97℃下烘干，粉碎，研磨至粒径为100-200目，得到氮化硅基体粉料；

S4、将氮化硅基体粉料在140MPa的压力下进行等静压成型，得到长方体状的氮化硅基体坯料；

S5、将氮化硅基体坯料进行高温排胶处理，所述排胶工艺为：将温度10分钟内升温至150℃后，以10℃/分钟的速率维持20分钟，升温至350℃后，维持30分钟；然后再以15℃/分钟的升温速率升温至600℃，并在600℃下维持45分钟；然后以5℃/分钟的速率降温至200℃，在该温度下维持20分钟；

S6、排胶处理的氮化硅基体坯料加入垫料进行填埋，所述垫料采用氮化硅和氮化硼的混合物，两者重量比为1：3，且混合物在1500℃下进行了烧结处理，并进行高温烧结处理，高温烧结的过程为：700℃下烧结45分钟；升温至1000℃，在该温度下维持65分钟；升温至1650℃，在该温度下维持50分钟；降温至600℃继续烧结50分钟，高温烧结过程中应保持真空，烧结完成后即可获得低热导率氮化硅透波陶瓷材料。

对比例1

与实施例3的步骤基本一致，区别在于：步骤S1中，烧结助剂采用无水氟化钙，所述氮化硅粉末和无水氟化钙的重量比仍然为84：16。

对比例2

与实施例3的步骤基本一致，区别在于：步骤S2中，向其中加入聚甲基丙烯酸甲酯，所述聚甲基丙烯酸甲酯在所述氮化硅基体浆料重量比例为35％。

对比例3

与实施例3的步骤基本一致，区别在于：步骤S5中，直接升温至600℃，并维持2小时。

对比例4

与实施例3的步骤基本一致，区别在于：步骤S6中，不采用垫料填埋，且直接升温至1650℃，维持2.5小时。

对实施例1-5、对比例1-4中的产品抗弯强度测试，以衡量材料在抵抗外加弯曲载荷保持不断裂的能力。本次实验中多孔氮化硅陶瓷的抗弯强度采用三点弯曲法测试，测试仪器为电子万能试验机。

实施例1-5中得到的低热导率氮化硅透波陶瓷材料平均数值为：245.2MPa。

对比例1-4中制备得到的多孔氮化硅陶瓷材料测量数值为：231.3MPa、242.2MPa、239.1MPa、235.6MPa。

对实施例1-5、对比例1-4中的产品进行介电性能测试，采用带状线法测试样品的介电性能，仪器型号为N5230C矢量网络分析仪。根据GB/T12636中的要求，准备两块成分相同，长度为70mm,宽度为30mm，厚度为5mm,表面打磨平整的试样，在测试前，将其放入烘箱中120℃条件下进行烘干，在介电测试仪上测试材料在12.15GHZ时的介电常数、介电损耗及损耗角正切。

实施例1-5中得到的低热导率氮化硅透波陶瓷材料平均数值为：介电常数为2.85±0.09，介电损耗为0.006。

对比例1-4中制备得到的多孔氮化硅陶瓷材料测量平均数值为：介电常数为3±0.05，介电损耗为0.007。

对实施例1-5、对比例中的产品进行热导率测试，以瞬态法与热线法相结合测试了样品在室温下的热导率，采用仪器为导热系数仪。瞬态热线法的基本原理为:将长度无限的线热源放在在无限放大的均匀介质中，当两者处于热平衡时，用阶跃恒热流加热线热源，线热源及被测试的物品会升温，根据线热源的升温程度就可以得到被测介质的导热系数。

实施例1-5中得到的低热导率氮化硅透波陶瓷材料：0.32W/(M·K)。

对比例1-4中制备得到的多孔氮化硅陶瓷材料分别为：7.14W/(M·K)、6.42W/(M·K)、5.36W/(M·K)、5.87W/(M·K)。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。