一种一体化编织高温宽频隐身格栅结构吸波材料的方法

技术领域

本发明涉及一种一体化编织高温宽频隐身格栅结构吸波材料的方法，属于高速飞行器隐身技术领域。

背景技术

吸波材料技术已成为提升当代武器装备雷达隐身性能的重要技术途径。碳化硅纤维作为陶瓷基复合材料体系中非常重要的增强纤维，不仅具有耐高温、高模高强等优异特性，还具有宽广的电性能调控范围，可以根据制备烧结温度来调节碳化硅纤维的吸波性能，充当吸波材料中不同的功能相，因此碳化硅纤维已经成为高温吸波结构材料的重要研究对象。高温吸波结构材料为实现宽频吸波功能，经常需要采用多层电性能匹配设计方案；对于三维编织工艺，由于纤维在厚度方向呈贯穿特性，不易实现不同电性能纤维的层间分布。

干涉型吸波材料具有结构简单、吸波性能可设计性强、吸收频带宽、频选择性强等优点。现有的干涉型吸波材料通常是由导电的干涉体与聚合物基的透波材料复合而成，存在不耐高温和抗老化性能差、强度低、使用寿命短等问题，很难在各种恶劣环境中长期服役。陶瓷材料相比具有强度高、耐腐蚀、耐高温、抗老化等优点，但是陶瓷基复合材料的制备难度大，且工艺复杂，极大限制了陶瓷基干涉型吸波材料的研究进展。

发明内容

[技术问题]

现有的干涉型吸波材料不耐高温、抗老化性能差、强度低；

陶瓷基材料性能好，但是制备工艺过于复杂。

[技术方案]

为了解决上述问题，本发明通过选用不同电性能的碳化硅纤维合理搭配并一体化编织成特殊结构的预制体；同时对每层的经纬纱进行合理分配，形成“面内格栅混编”和“面外梯度混编”的整体编织非均质结构；能够提升吸波性能，同时实现力学性能改善。

本发明的第一个目的是提供一种一体化编织高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体的方法，包括如下步骤：

(1)碳化硅纤维束的制备：

利用化学气相沉积法，将热解碳沉积在碳化硅纤维束表面实现不同厚度的碳层界面，得到不同电阻率的碳化硅纤维束；

(2)一体化编织：

将不同电阻率的碳化硅纤维束作为经纱、纬纱，采用三维机织浅交弯连结构，以5-15束经纱和5-15束纬纱编织为一组，通过控制外圈经纱、纬纱的电阻率比内部的经纱、纬纱小，实现经纬纱交织的面在电阻率排布上形成格栅结构；同时采用三层结构编织，使得厚度方向的电阻率由高到低排列，形成梯度结构；重复上述编织，得到面内格栅混编、面外梯度混编的高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的化学气相沉积法具体是：

将碳化硅纤维束放入炉中，通入氮气保护加热，稳定温度保持30min后停止通入氮气，通入丙烷气体，反应时间达到沉积时长后切断电源，停止通入丙烷气体，通入氮气排净丙烷气体，在氮气环境下冷却至室温后取出碳化硅纤维束；

其中，化学气相沉积温度为1000℃，炉内压强设定为10kPa，丙烷和氮气气压比为1：3；化学气相沉积的时间为10h-60h，形成厚度为0.2-2μm的碳界面。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的碳化硅纤维束的电阻率在10

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的外圈经纱、纬纱为1-2根碳化硅纤维束。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的梯度结构中每层包含1-3层纬纱。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中梯度结构的第一层作为匹配层，其外圈经纱、纬纱选用碳化硅纤维束电阻率为10

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中梯度结构的第二层作为损耗层，其外圈经纱、纬纱选用碳化硅纤维束电阻率为10

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中编织的经密为6-9束/cm，纬密为4-6束/cm。

在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中梯度结构的第二层作为反射层，其外圈经纱、纬纱选用碳化硅纤维束电阻率为10

本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体。

在本发明的一种实施方式中，所述的高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体采用的纬纱层数为6-12层，形成预制体的厚度为4mm-10mm、长度为100-1000mm、宽度为100-1000mm。

本发明的第三个目的是提供一种制备高温宽频隐身格栅结构吸波材料的方法，包括如下步骤：

将高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体浸渍在聚碳硅烷(PCS)溶液中，取出，加热保温，高温裂解，得到高温宽频隐身格栅结构吸波材料。

在本发明的一种实施方式中，所述的高温裂解是为了进行致密化处理。

在本发明的一种实施方式中，所述的浸渍、高温裂解可以重复多次。

在本发明的一种实施方式中，所述的聚碳硅烷(PCS)溶液由质量比为1：1的甲苯和聚碳硅烷组成。

在本发明的一种实施方式中，所述浸渍是20-30℃下浸渍1-3h。

在本发明的一种实施方式中，所述的加热保温是在氩气环境中以3-7℃/min的升温速率加热至145-155℃并保温1-5h。

在本发明的一种实施方式中，所述的高温裂解是以1300-1500℃加热1-2h。

本发明的第四个目的是本发明所述的方法制备得到的高温宽频隐身格栅结构吸波材料。

在本发明的一种实施方式中，所述高温宽频隐身格栅结构吸波材料的密度为2.2g/cm

本发明的第五个目的是本发明所述的高温宽频隐身格栅结构吸波材料在航空航天领域中的应用。

[有益效果]

(1)相对于普通单层或多层吸波材料来说，本发明的高温宽频隐身格栅结构吸波材料采用不同电阻率的碳化硅纤维束在单层上形成格栅结构，提升吸波能力，同时在厚度方向形成电阻率梯度排布，满足了不同功能相的要求；同时采用的碳化硅纤维具有较好的耐高温性和力学性能，与低密度、高强度的碳化硅基体进行多次致密复合烧结，使得服役温度可以达到1500℃以上，实现了“一体化编织陶瓷基干涉型吸波材料，且耐高温、抗老化性能好、强度高”的效果。

(2)本发明的方法可适用于多种高温吸波材料的制造，应用范围广；能够用于工业化生产。

(3)本发明制备的高温宽频隐身格栅结构吸波材料的最大吸收峰的绝对值达到32.3dB以上，有效吸波频段有四个，且耐温极限在1500℃以上，弯曲强度在155MPa以上，弯曲强度保留率在60％以上。

附图说明

图1为实施例1的高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体的结构图，其中，1：匹配层；2：损耗层；3：反射层。

图2为实施例1中高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体的单层结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

测试方法：

1、耐高温性能测试：

在某一高温温度烧结炉中持续保温24h，材料在x、y、z三个方向的线性收缩率的平均值小于5％，可以认为该材料可以耐受该高温温度。

2、耐老化性能测试：

在1500℃中持续保温24h，对材料的弯曲强度进行测试，与未处理前的弯曲强度进行对比，计算强度保留率。

3、吸波性能测试：

采用中华人民共和国纺织行业标准FZ/T01139-2017《纺织品防微波性能试验方法矩形波导管法》。

4、强力性能测试：

采用中华人民共和国标准GB/T659-2006《精细陶瓷弯曲强度试验方法》。

实施例中采用的原料：

碳化硅纤维束：细度为3K，单丝拉伸强度不小于2.8GPa，束丝拉伸强度不小于2.5GPa；

聚碳硅烷(PCS)溶液：由质量比为1：1的甲苯和聚碳硅烷混合制备得到。

实施例1

一种一体化编织高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体的方法，包括如下步骤：

(1)碳化硅纤维束的制备：

以丙烷为沉积碳源，氮气为辅助气体；将碳化硅纤维束放入炉中，通入氮气，炉内压强设定为10kPa，按10℃/min加热至1000℃，稳定温度保持30min后停止通入氮气，通入丙烷气体，丙烷和氮气的气压比设置为1：3，反应时间达到沉积时长后切断电源，停止通入丙烷气体，通入氮气排净丙烷气体，在氮气环境下冷却至室温后取出碳化硅纤维束；

不同沉积时间下烧结得到的碳化硅纤维电阻率如表1所示；

表1

(2)一体化编织：

采用三维机织浅交弯连结构，经密为8束/cm，纬密为6束/cm，每一层以连续的5束经纱和5束纬纱交织的面为一组形成格栅结构，纬纱层为6层，以2层纬纱为一组分别作为匹配层、损耗层、反射层；

匹配层格栅结构外圈第1、5束经、纬纱选用碳化硅纤维束电阻率为10

损耗层格栅结构外圈第1、5束经、纬纱选用碳化硅纤维束电阻率为10

反射层格栅结构外圈第1、5束经、纬纱选用碳化硅纤维束电阻率为10

重复上述编织，得到面内格栅混编、面外梯度混编的高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体；其中，预制体厚度为4mm、长度为100mm、宽度为100mm。

实施例2

一种制备高温宽频隐身格栅结构吸波材料的方法，包括如下步骤：

将实施例1的高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体25℃浸渍在聚碳硅烷(PCS)溶液中1h，取出，先在氩气环境中以5℃/min的升温速率加热至150℃并保温3h，再在1400℃下高温裂解1h，得到高温宽频隐身格栅结构吸波材料。

实施例3

调整实施例1步骤(2)中经密为6束/cm，纬密为4束/cm，其他和实施例1、2保持一致，得到高温宽频隐身格栅结构吸波材料。

实施例4

调整实施例1步骤(2)中纬纱层为9层，以3层纬纱为一组分别作为匹配层、损耗层、反射层，其他和实施例1、2保持一致，得到高温宽频隐身格栅结构吸波材料。

对比例1

调整实施例1步骤(2)中匹配层经、纬纱线都选用电阻率为10

其他和实施例1、2保持一致，得到复合材料。

对比例2

调整实施例1步骤(2)中匹配层、损耗层、反射层都以连续的5束经纱和5束纬纱交织的面为一组形成格栅结构，外圈第1、5束经纬纱选用碳化硅纤维电阻率为10

其他和实施例1、2保持一致，得到复合材料。

对比例3

调整实施例2中的聚碳硅烷(PCS)溶液为聚甲基硅烷，具体操作如下：

将实施例1的高温宽频隐身格栅结构吸波材料预制体25℃浸渍在聚甲基硅烷溶液中1h，聚甲基硅烷溶液由质量比为1：5的二乙烯基苯和聚甲基硅烷混合制备得到；

其他和实施例2保持一致，得到复合材料。

对比例4

调整实施例1步骤(2)中格栅结构为条形间隔结构；

具体编织如下：

匹配层纬纱使用电阻率为10

损耗层纬纱使用电阻率为10

反射层纬纱使用电阻率为10

其他和实施例1、2保持一致，得到复合材料。

对比例5

调整实施例1中碳化硅纤维为具有不同电阻率的Nicalon碳化硅纤维，以与实施例1中相同的电阻率排布进行编织；

其他和实施例1、2保持一致，得到复合材料。

将实施例和对比例得到的复合材料进行性能测试，测试结构如下表2：

从表2可以看出：

(1)实施例2-4制备的复合材料的耐高温性能优异，达到1600℃；有效吸波频段多，最大吸收峰高，吸波性能优异；且弯曲强度达到155MPa，弯曲强度保留率达到60％以上；

(2)实施例2和对比例1、2相比，单独采用格栅结构或者梯度结构，其吸波性能都会发生极大的下降；

(3)实施例2和对比例3相比，采用聚甲基硅烷替换聚碳硅烷(PCS)溶液，有效吸波频段范围减小，弯曲强度会发生极大的下降；

(4)实施例2和对比例4相比，条形间隔结构，有效吸波频段减少，最大吸收峰降低，吸波性能发生极大的下降；

(5)实施例2和对比例5相比，采用具有不同电阻率的Nicalon碳化硅纤维，有效吸波频段范围减小，最大吸收峰降低，吸波性能发生极大的下降；且弯曲强度也发生了极大的下降。

表2

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。