專利名稱：一種Mo/AIN復(fù)相微波吸收材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波吸收材料的制備方法，特別涉及金屬陶瓷基微波吸收材料的制備方法，具體地說是一種鉬/氮化鋁(Mo/AlN)復(fù)相微波吸收材料的制備方法。
背景技術(shù)：
微波吸收材料是指能將投射到它表面的電磁波大部分吸收并轉(zhuǎn)化成其他形式的能量而幾乎無反射的材料。其工作原理是利用材料本身特殊的電荷載流子或極化材料的偶極子在高頻場中的振動來消耗能量，或者利用半導(dǎo)體的導(dǎo)電性產(chǎn)生漏泄電導(dǎo)作用而把接收到電磁波的高頻電磁場能轉(zhuǎn)化成熱量釋放出去。美國于1950年代就開始將吸波材料應(yīng)用于隱形飛機中。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展，電子對抗、電子干擾技術(shù)日新月異，使得吸波材料的研究與開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。例如，隨著行波管功率的增大，其增益、帶寬等提高，行波管的穩(wěn)定性降低，此時在行波管中安裝具有高微波吸收性能的體吸收器對于吸收反射波、防止行波管的自激振蕩，提高其穩(wěn)定性具有十分重要的作用。
吸波材料的品種較多，按損耗機理可分為介電型和磁性吸波材料，按成形工藝和承載能力可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型吸波材料，按吸收原理則可分為吸收型和干涉型吸波材料等。常用作吸波材料的有鐵氧體、半導(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電高聚物、碳化硅衰減陶瓷和金屬陶瓷等。高磁導(dǎo)率的鐵氧體微波吸收材料由于其具有較低的居里溫度，在高溫下它們的稀薄性能比較差，從而限制了其使用范圍。半導(dǎo)體陶瓷(TiO2、TiO2+Al2O3等)的電阻率容易隨溫度發(fā)生變化，從而影響吸波材料的工作穩(wěn)定性。導(dǎo)電高聚物吸波材料質(zhì)量輕、機械特性好、組成和結(jié)構(gòu)容易控制、在電磁波吸收方面顯示出很強的設(shè)計適用性，但其耐高溫性較差，難以滿足大功率微波吸收的需求。碳化硅衰減陶瓷具有優(yōu)良的機械性能及物理化學(xué)穩(wěn)定性、吸波性好。但其制造工藝較復(fù)雜，加工很不方便、衰減參數(shù)難以調(diào)整，因此在實際應(yīng)用上尚有一定困難。
與其他吸波材料相比，金屬陶瓷吸收材料是一種新型的復(fù)合吸波材料，其導(dǎo)熱性、真空性能好，吸收效率高，性能穩(wěn)定，調(diào)整配方可以較容易調(diào)整衰減參數(shù)，且加工工藝相對簡單，因而具有良好的應(yīng)用前景。在金屬陶瓷吸波材料中，AlN因具有良好的導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、良好的介電性能等而成為最有潛力的陶瓷組元之一。
例如Amir Azam Khan等人在《具備高抗熱震性能的AlN-Mo陶瓷基復(fù)合材料》(Materials science and Engineering，A230(1997)23-28)和《Mo的添加量對AlN-Mo陶瓷基復(fù)合材料的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能的影響》(Journal of European Ceramic Society，17(1997)1885-1890)兩文中報道了采用熱壓工藝制備的AlN-Mo金屬陶瓷材料的力學(xué)性能；但未對材料的微波吸收性能進行研究，并且所制備材料的致密度(相對密度)僅達95％以上，難以滿足微波吸收材料的真空性能要求。此外，制備上述材料需采用熱壓工藝，即在高溫?zé)Y(jié)的同時需向試樣施加20MPa以上的壓力，從而對模具和裝備提出了較高的要求，工藝成本較高，難以實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。
《中國陶瓷工業(yè)》(2006年第4期)報道了采用Y2O3做燒結(jié)助劑，在1850℃氮氣保護氣氛下熱壓燒結(jié)制得了不同W含量的AlN-W復(fù)相微波衰減材料，該材料對范圍在2～18GHz的高頻電磁波的最大衰減量為1.9dB。但該AlN-W復(fù)相材料在制備時，同樣采用了熱壓工藝，并且雖然在熱壓用的石墨模具內(nèi)壁涂有BN保護膜，但仍難以防止高溫下石墨與試樣中金屬W產(chǎn)生碳化反應(yīng)形成WC。此外，由于W與AlN密度相差很大(分別為19.3g/cm3和3.3g/cm3)，易造成混料以及成形燒結(jié)時的成分偏析。上述研究在材料組分設(shè)計和制備工藝等方面都有待進一步優(yōu)化。
《太陽能學(xué)報》(2000年第1期)報道了采用金屬粒子注入介質(zhì)基體中形成的金屬陶瓷(cermet)作吸收材料，制成的W-AlN金屬陶瓷復(fù)合薄膜具有優(yōu)良的光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的涂層吸收率α＞0.9，發(fā)射率ε(35 3K)＜0.1。當(dāng)溫度高于350℃時性能穩(wěn)定，吸收率α變化不大，而發(fā)射率ε不超過0.1。與多層漸變吸收涂層相比，金屬陶瓷選擇性吸收涂層具有膜系結(jié)構(gòu)簡單、高溫條件下性能穩(wěn)定、發(fā)射率較低等優(yōu)點。該涂層適用于低倍聚光真空管集熱器。但該研究采用共濺射方法，工藝成本高，僅適合制備薄膜吸波涂層。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有金屬陶瓷基微波吸收材料熱壓制備的缺陷，旨在提供一種無壓燒結(jié)的制備方法，所要解決的技術(shù)問題是在常壓和低于1800℃的條件下獲得高致密度的燒結(jié)體。
本發(fā)明選擇微米級的鉬(Mo)粉和氮化鋁(AlN)粉為原料，制備Mo含量為30-40wt％的Mo/AlN復(fù)相微波吸收材料，其制備方法包括球磨混合得到混合料，然后將混合料模壓成形得到坯料，最后將坯料燒結(jié)，與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于1、混合料是由配比量的Mo粉、AlN粉和復(fù)合燒結(jié)助劑共同球磨混合制備的，燒結(jié)助劑選自氧化釔(Y2O3)或氧化硅(SiO2)或氧化鈣(CaO)或氧化鋰(Li2O)等氧化物粉料，添加原則是多元、少量，所謂多元即至少添加上述兩種氧化物粉料，少量即添加量為1-5wt％，在控制總量的前提下，兩種或兩種以上氧化物粉料之間相對比例任意。2、坯料燒結(jié)是在氮氣(N2)或/和氦氣(He)或/和氬氣(Ar2)氣氛中于1750-1790℃條件下燒結(jié)，冷卻后得到Mo/AlN復(fù)相的微波吸收材料。
Mo的密度為10.2g/cm3，雖然比W小得多，但比AlN大，在混料和成形時，為防止因物料比重不同導(dǎo)致成分偏析，可以加入2-6wt％的成形劑一道濕球磨，成形劑選自石蠟或橡膠，所謂濕球磨，是指液體石蠟或液體橡膠，若石蠟或橡膠為固體，則加入酒精等溶劑濕球磨。
本發(fā)明制備的Mo/AlN復(fù)相材料中Mo顆粒均勻地分散在AlN基體中。由于燒結(jié)助劑加入量較少，燒結(jié)后在AlN晶界上呈不連續(xù)分布，并未造成AlN晶粒間的分離。如圖1所示。這并不影響主要由漏泄電導(dǎo)決定的吸收微波的性能。A1N不僅機械強度高、耐高溫且熱穩(wěn)定性好，而且導(dǎo)熱性也好，可將微波吸收轉(zhuǎn)化的熱能盡快釋放。通過調(diào)整Mo/A1N的配比、粒度組成，可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整材料的吸波性能，本發(fā)明的Mo/A1N復(fù)相材料完全滿足微波吸收材料的“輕、薄、強、寬”的技術(shù)要求。
本發(fā)明的Mo/A1N復(fù)相材料，相對密度＞98％(開孔隙率＜0.3％)，導(dǎo)熱系數(shù)＞100W/(m·K)，介電常數(shù)22-40，介電損耗角正切＞0.1，在2.2-25GHz范圍內(nèi)具有良好的微波吸收性能，特別適合于制備在高溫、高真空環(huán)境條件下運行的大功率行波管體吸收器。
四
圖1所示為1770℃于(50％N2+50％Ar)氣氛中燒結(jié)5h所得含35％Mo、1％Y2O3、1％SiO2和1％CaO的Mo/AlN燒結(jié)體的斷面顯微組織的掃描電鏡照片。從中可以看出燒結(jié)體組織致密，AlN晶型生長完整。
五具體實施例方式
1、取40質(zhì)量份(下同)Mo粉(粒度15μm)，60份AlN粉(粒度0.5μm)，3份Y2O3粉、2份Al2O3粉，6份石蠟與適量酒精混合球磨48小時，然后干燥、造粒，得到混合料，將混合料投入鋼模中，100MPa下模壓成形，得到坯料，將坯料置于碳管爐中于50％N2和50％Ar2氣保護下，1750℃燒結(jié)4小時。得到Mo/AlN復(fù)相材料，相對密度99.2％(開孔隙率＜0.2％)，導(dǎo)熱系數(shù)為132.2W/(m·K)，介電常數(shù)30-35，介電損耗角正切0.15。
2、取30份Mo粉(10μm)，70份ALN粉(0.5μm)，1份Y2O3粉，1份SiO2粉，1份CaO粉，4份液體羧甲基丁腈橡膠，混合球磨48小時，然后干燥、造粒，100MPa下模壓成坯料，將坯料置于碳管爐中，70％N2、30％He氣保護下，1780℃燒結(jié)5小時，得到Mo/AlN復(fù)相材料，相對密度98.9％(開孔隙率＜0.2％)，導(dǎo)熱系數(shù)為138.5W/(m·K)，介電常數(shù)24-28，介電損耗角正切0.14。
3、取35份Mo粉(15μm)，65份AlN粉(1μm)，1.5份Y2O3粉，1份CaO粉，3份液體石蠟混合球磨48小時，然后干燥、造粒，得到混合料，將混合料投入鋼模中，100MPa下模壓成形，得到坯料，將坯料置于碳管爐中于N2氣氛保護下，1770℃燒結(jié)5小時，得到Mo/AlN復(fù)相材料，相對密度99.1％，導(dǎo)熱系數(shù)135.4W/(m·K)，介電常數(shù)27--32，介電損耗角正切0.14.
權(quán)利要求
1.一種Mo/AlN復(fù)相微波吸收材料的制備方法，以微米級Mo粉和AlN粉為原料，包括球磨混合、模壓成形和燒結(jié)、冷卻，其特征在于所述的球磨混合是配比量的Mo粉、ALN粉和復(fù)合燒結(jié)助劑共同球磨，所述的復(fù)合燒結(jié)助劑選自Y2O3或SiO2或CaO或Li2O中的至少兩種氧化物粉料、添加量1-5wt％；所述的燒結(jié)是在氮氣或/和氦氣或/和氬氣氣氛中于1750-1790℃條件下對模壓坯料進行燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于在混合球磨時加入2-6wt％成形劑一道濕球磨，所述的成形劑選自石蠟或橡膠。
全文摘要
一種Mo/AlN復(fù)相微波吸收材料的制備方法，將微米級Mo粉和AlN粉按30－40∶70－60的質(zhì)量比配比后加入1－5wt％復(fù)合燒結(jié)助劑球磨混合得到混合料；將混合料模壓成形，得到坯料，坯料于1750－1790℃條件下在惰性氣體保護下燒結(jié)冷卻后得到Mo/AlN復(fù)相微波吸收材料，相對密度＞98％，導(dǎo)熱系數(shù)＞100W/(m·K)，介電常數(shù)22－40，介電損耗角正切＞0.1，在2.2－25GHz范圍內(nèi)具有良好的吸波性能，特別適合制備在高溫、高真空條件下運行的大功率的行波管吸熱器。
文檔編號B22F3/12GK101082090SQ200710025059
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月1日
發(fā)明者程繼貴, 梁檳星, 董潔, 夏永紅, 李潔, 顧瑞 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)