一种α-SiAlON多孔陶瓷及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及多孔陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种α-SiAlON多孔陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

天线罩是超高速飞行器的核心部件之一，它需要具备优异的透波性能，实现精准的巡航制导，能够阻隔外部热量与热冲击，保护内部精密器件能够正常服役。目前，天线罩材料多采用夹层、多层或梯度结构，通过将高强度、高介电材料和低强度、低介电材料复合，来调控天线罩材料的整体性能。随着现代飞行器马赫数的不断提高，对航天用天线罩材料的透波、隔热和承载性能提出了新要求，要求其介电常数小于5，介电损耗小于10

α-SiAlON陶瓷作为Si-N基陶瓷的一种，其介电性能适中、热导率较低且力学性能优异，但其本征形貌为等轴晶粒，抗弯性能和断裂韧性较差，且透波性能还难以达到天线罩材料的服役标准。目前，尚未有制备α-SiAlON多孔陶瓷的专利报道，尚未有α-SiAlON陶瓷作为天线罩用高温透波材料的专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种α-SiAlON多孔陶瓷及其制备方法和应用，本发明的α-SiAlON多孔陶瓷具有较低的介电常数、介电损耗和热导率，透波和隔热性能优异，且具有较高的抗弯强度，具备作为天线罩用高温透波材料的应用前景。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种α-SiAlON多孔陶瓷，化学式为Y

优选的，所述α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为45％～75％，密度为0.83～1.82g/cm

优选的，所述长柱状晶粒的平均直径为1～2μm，平均长径比为2～4。

优选的，所述α-SiAlON多孔陶瓷在12GHz下的介电常数为1.19～3.21，介电损耗为0.33×10

本发明提供了上述方案所述α-SiAlON多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

将α-SiAlON陶瓷粉体、环氧树脂和乙醇进行混合球磨，得到α-SiAlON陶瓷浆料；所述α-SiAlON陶瓷粉体的化学组成与所述α-SiAlON多孔陶瓷的化学组成相同；

将所述α-SiAlON陶瓷浆料进行真空除泡，将除泡后的浆料与聚酰胺混合，得到混合料；

将所述混合料注入模具，然后固化，干燥除去乙醇，得到α-SiAlON多孔陶瓷坯体；

将所述α-SiAlON多孔陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到所述α-SiAlON多孔陶瓷。

优选的，所述α-SiAlON陶瓷粉体、乙醇和环氧树脂的质量比为(5～10):20:(2～4)；所述聚酰胺与环氧树脂的质量比为(1～4):10。

优选的，所述固化的温度为50～80℃，时间为5～10min

优选的，所述排胶包括：升温至280℃保温2～5h，继续升温至450℃保温2～5h，再继续升温至520℃保温2～5h。

优选的，所述烧结的温度为1750～1850℃，保温时间为1～3h；所述烧结在氮气氛围下进行。

本发明提供了上述方案所述α-SiAlON多孔陶瓷或上述方案所述制备方法制备得到的α-SiAlON多孔陶瓷在天线罩用高温透波材料中的应用。

本发明提供了一种α-SiAlON多孔陶瓷，化学式为Y

本发明选择了高的固溶量，即m和n的值较高，可以有效促进六方结构的α-SiAlON在c轴方向上的生长，有利于促进长柱状晶粒的形成。本发明成功在α-SiAlON多孔陶瓷中实现了长柱状晶粒的引入，通过裂纹桥接、偏转和晶粒拔出等机制，实现α-SiAlON多孔陶瓷的自增强，提高了α-SiAlON多孔陶瓷的抗弯强度。

本发明选择高的固溶量，即m和n的值较高，获得键型取代和在晶胞间隙内掺杂更多Y

本发明提供的α-SiAlON多孔陶瓷在12GHz下的介电常数为1.19～3.21，介电损耗为0.33×10

本发明提供了上述方案所述α-SiAlON多孔陶瓷的制备方法，本发明通过环保低毒的环氧树脂基凝胶注模法，通过环氧树脂与聚酰胺之间的交联固化作用，原位固化α-SiAlON陶瓷粉体，该方法可以在短时间内完成粉体的固化和脱模，有效避免陶瓷粉体在浆料中的沉降。排胶后仍能保持住多孔骨架结构，在烧结后获得具备连通的微米级孔结构的α-SiAlON多孔陶瓷。

附图说明

图1为实施例1制备得到的α-SiAlON多孔陶瓷的XRD图谱；

图2为实施例2制备得到的α-SiAlON多孔陶瓷未排胶坯体的SEM图片；

图3为实施例2制备得到的烧结后α-SiAlON多孔陶瓷的SEM图片。

具体实施方式

本发明提供了一种α-SiAlON多孔陶瓷，化学式为Y

在本发明中，所述α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率优选为45％～75％，密度优选为0.83～1.82g/cm

在本发明中，所述长柱状晶粒的平均直径优选为1～2μm，平均长径比优选为2～4。

在本发明中，所述α-SiAlON多孔陶瓷在12GHz下的介电常数为1.19～3.21，介电损耗为0.33×10

本发明提供了上述方案所述α-SiAlON多孔陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

将α-SiAlON陶瓷粉体、环氧树脂和乙醇进行混合球磨，得到α-SiAlON陶瓷浆料；所述α-SiAlON陶瓷粉体的化学组成与所述α-SiAlON多孔陶瓷的化学组成相同；

将所述α-SiAlON陶瓷浆料进行真空除泡，将除泡后的浆料与聚酰胺混合，得到混合料；

将所述混合料注入模具，然后固化，干燥除去乙醇，得到α-SiAlON多孔陶瓷坯体；

将所述α-SiAlON多孔陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到所述α-SiAlON多孔陶瓷。

在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。

本发明将α-SiAlON陶瓷粉体、环氧树脂和乙醇进行混合球磨，得到α-SiAlON陶瓷浆料。

在本发明中，所述α-SiAlON陶瓷粉体采用本领域熟知的方法制备得到，具体可以采用如下步骤制备：根据所需α-SiAlON陶瓷粉体的化学式，按照化学质量比称量氧化钇、氮化铝、氮化硅和氧化铝原料粉末，加入乙醇球磨混合，干燥除去乙醇后，将混合原料粉体在氮气气氛下高温煅烧获得对应组分的α-SiAlON陶瓷粉体。

本发明对所述α-SiAlON陶瓷粉体的粒径没有特殊要求，本领域熟知的粒径均可。在本发明的实施例中，所述α-SiAlON陶瓷粉体的平均粒径为1.07μm。

在本发明中，所述α-SiAlON陶瓷粉体、乙醇和环氧树脂的质量比优选为(5～10):20:(2～4)，更优选为(6～8):20:(2～4)。

本发明对所述混合球磨的条件没有特殊要求，能够将各组分混合均匀即可。在本发明的实施例中，所述混合球磨的转速为300r/min，球磨时间为3h，氮化硅磨球与α-SiAlON粉体的质量比为1:1。

得到α-SiAlON陶瓷浆料后，本发明将所述α-SiAlON陶瓷浆料进行真空除泡，将除泡后的浆料与聚酰胺混合，得到混合料。

本发明对所述真空除泡的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的真空除泡过程即可。

在本发明中，所述聚酰胺与环氧树脂的质量比优选为(1～4):10，更优选为(1.5～3.5):10，进一步优选为(2～3):10。在本发明中，所述聚酰胺的作用是作为环氧树脂的固化剂。

在本发明中，将除泡后的浆料与聚酰胺混合优选包括：在磁力搅拌条件下，将所述聚酰胺加入到除泡后的浆料中。在本发明的实施例中，所述磁力搅拌的转速为350r/min，机械搅拌的时间为3min。

得到混合料后，本发明将所述混合料注入模具，然后固化，干燥除去乙醇，得到α-SiAlON多孔陶瓷坯体。

在本发明中，所述固化的温度优选为50～80℃，更优选为60～70℃；时间优选为5～10min，更优选为6～8min。

在本发明中，所述干燥的温度优选为60℃，干燥的时间优选为24h。

得到α-SiAlON多孔陶瓷坯体后，本发明将所述α-SiAlON多孔陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到所述α-SiAlON多孔陶瓷。

在本发明中，所述排胶优选包括：升温至280℃保温2～5h，继续升温至450℃保温2～5h，再继续升温至520℃保温2～5h。本发明对排胶过程中的升温速率没有特殊要求，采用本领域熟知的升温速率即可。本发明在所述排胶过程中，除去环氧树脂和聚酰胺。

在本发明中，所述烧结的温度优选为1750～1850℃，更优选为1770～1820℃；保温时间优选为1～3h，更优选为1.5～2.5h；所述烧结优选在氮气氛围下进行。排胶后粉体之间的结合十分脆弱，并不是多孔陶瓷，烧结使得粉体颗粒在高温驱动下相互合并长大，形成强的结合力，进而获得了多孔陶瓷。

本发明提供了上述方案所述α-SiAlON多孔陶瓷或上述方案所述制备方法制备得到的α-SiAlON多孔陶瓷在天线罩用高温透波材料中的应用。

下面结合实施例对本发明提供的α-SiAlON多孔陶瓷及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

下述各实施例中采用的α-SiAlON陶瓷粉体的平均粒径为1.07μm；根据所需α-SiAlON陶瓷粉体的化学式，按照化学质量比称量氧化钇、氮化铝、氮化硅和氧化铝原料粉末，加入乙醇球磨混合24h，干燥除去乙醇后，将混合原料粉体在氮气气氛下，1650℃高温煅烧1h获得对应组分的α-SiAlON陶瓷粉体；其他试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。

实施例1～9

α-SiAlON多孔陶瓷制备实施方案如下：

步骤(1)：按比例称量α-SiAlON粉体和环氧树脂置于球磨罐中，加入乙醇球磨混合，获得α-SiAlON陶瓷浆料。球磨转速为300r/min，球磨时间为3h，氮化硅磨球与α-SiAlON粉体的质量比为1:1。α-SiAlON陶瓷粉体的化学式为Y

表1实施例1～9步骤(1)的实施方案

步骤(2)：在步骤(1)所获得的α-SiAlON陶瓷浆料进行真空除泡，按照一定的比例添加聚酰胺，在磁力搅拌下以350r/min机械搅拌3min，将混合均匀后的浆料注入到成型模具中，放置于恒温恒湿箱中静置固化，聚酰胺与环氧树脂的质量比为1～4:10，所述固化温度为50～80℃，固化时间为5～10min；将固化后的坯体脱模，置于烘箱中干燥除去乙醇，得到α-SiAlON多孔陶瓷坯体，所述干燥温度60℃，干燥时间为24h。实施例1～9步骤(2)的实施方案如下表2：

表2实施例1～9步骤(2)的实施方案

步骤(3)：将步骤(2)所得的α-SiAlON多孔陶瓷坯体进行排胶；所述排胶温度为520℃，在280℃、450℃和520℃时设置保温平台，保温时间为2～5h。

实施例1～9步骤(3)的实施方案如下表3：

表3实施例1～9步骤(3)的实施方案

步骤(4)：将步骤(3)所得的排胶后的α-SiAlON多孔陶瓷坯体，在流动氮气气氛下烧结获得α-SiAlON多孔陶瓷；烧结温度为1750～1850℃，烧结温度下的保温时间为1～3h；实施例1～9步骤(4)的实施方案如下表4：

表4实施例1～9步骤(4)的实施方案

结构及性能表征：

图1为实施例1制备得到的α-SiAlON多孔陶瓷的XRD图谱。由图1可以看出其主相均表现为α-SiAlON六方晶系的衍射峰。

图2为实施例2制备得到的α-SiAlON多孔陶瓷未排胶坯体的SEM图片，其中，(a-1)和(a-2)为不同放大倍数下的SEM图。由图2可以看出干燥除去乙醇后，粉体颗粒依靠环氧树脂和聚酰胺固化形成的凝胶网络结合在一起，松散堆积形成了三维骨架结构，成分和结构分布均匀，表明该工艺制备α-SiAlON多孔陶瓷的优异性。

图3为实施例2制备得到的烧结后α-SiAlON多孔陶瓷的SEM图片，左右分别为不同放大倍数下的SEM图。由图3可以看出烧结后的α-SiAlON多孔陶瓷具备连通的微米级孔结构，晶粒间结合良好，可以很明显的看出α-SiAlON多孔陶瓷中具备了部分长柱状的晶粒。

其他具体性能如下：

实施例1制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为75％，密度为0.83g/cm

实施例2制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为65％，密度为1.16g/cm

实施例3制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为60％，密度为1.32g/cm

实施例4制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为58％，密度为1.39g/cm

实施例5制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为63％，密度为1.22g/cm

实施例6制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为61％，密度为1.29g/cm

实施例7制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为54％，密度为1.52g/cm

实施例8制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为52％，密度为1.58g/cm

实施例9制备的α-SiAlON多孔陶瓷的孔隙率为45％，密度为1.82g/cm

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。