等离子喷涂低介电基体涂层的制备及性能研究

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随着雷达探测技术的快速发展,如何提高以发动机尾喷管为代表的高温部件的吸波性能一直是影响飞行器全向隐身的关键问题。其中,高温电性吸波涂层为了实现优异的衰减性能,其设计厚度往往较大。与之相比,高温磁性吸波涂层可在较低厚度的条件下实现宽频吸收,是高温隐身的理想技术手段之一。但需要注意的是,磁性吸波剂的介电常数一般大于其磁导率。因此,为实现大气界面的阻抗匹配,减少电磁波反射,高温磁性吸波涂层基体材料(粘结剂)在满足轻质,耐高温等基础需求之外,还需兼顾树脂,橡胶等常温基体材料的低介电特性。与传统基体材料相比,陶瓷和微晶玻璃在高温下具有良好的力学性能和化学稳定性,同时具有抗腐蚀、高强度、低热膨胀系数等特点,被认为是最具潜力的耐高温基体材料之一。然而,使用上述材料进行低介电基体涂层的研发仍面临诸多问题。例如:(1)目前常用高温陶瓷材料介电常数较高(如YSZ陶瓷的晶体介电常数约25),不宜作为磁性吸波涂层的基体材料使用;(2)实现基体涂层低介电性能的调控机制尚不完全清晰;(3)在涂层制备及晶化过程中,材料内部的相变行为及对介电性能的影响机理亟待研究。针对飞行器高温磁性吸波涂层基体材料的主要特征需求及上述问题,本文基于有效媒质理论和德拜弛豫理论,从材料配比选取和制备工艺调控两方面出发,采用高焓大气等离子喷涂技术分别制备了陶瓷和微晶玻璃低介电基体涂层,并开展相应的介电性能研究。其中主要内容及结论如下:(1)Al2O3和Y2O3在具有低介电、低损耗特性的同时,拥有优异的耐高温、耐腐蚀性能,已被广泛应用于各种功能陶瓷涂层中。本文首先对上述两种具有潜在应用价值的陶瓷涂层的介电性能进行了研究。分析发现,由特征喷涂参数(CPSP)的增加引起涂层结构的改善以及致密度的上升是造成涂层介电常数升高的主要原因。当CPSP最小时,Al2O3涂层和Y2O3涂层分别拥有最小的介电常数(8.09和9.70),且介电常数随温度的升高有轻微地提升。(2)与Y2O3基体涂层相比,Al2O3基体涂层更低的介电常数和密度使其更贴近实际应用需求。然而,对于需要大面积涂覆的吸波涂层而言,约3.9 g/cm~3的体密度仍略显笨重。为此,在Al2O3基体涂层中引入了具有良好力学性能和较低密度的B4C陶瓷以期满足基体涂层耐高温,低介电,轻质化的综合需求。研究发现,复合涂层的介电常数及密度主要与B4C的含量和制备工艺条件有关。当B4C添加量为20 wt.%时,通过工艺参数的调整,Al2O3/B4C复合涂层的密度可降低至2.9 g/cm~3,室温介电常数约17.69(500℃条件下升高约6.48%)。另外,高硬度的B4C的增加会引起复合涂层整体硬度的提升,且对结合强度造成不利影响。Kissinger氧化动力学模型显示,Al2O3/B4C复合涂层的氧化温度大于650℃,该结果与其表面致密的B2O3的存在有关。(3)相比于陶瓷材料,CaO-B2O3-SiO2(CBS)微晶玻璃具有更低的介电常数(5-6)和密度(~2.4 g/cm~3),同时还拥有热膨胀系数小、烧结温度低等特点。本文首次将该材料体系作为研究对象纳入高温磁性吸波涂层基体材料的研究范围。分析发现,在等离子喷涂过程中,高喷涂功率会引起CBS涂层缺陷增加。而经过800℃高温晶化处理后,涂层力学性能下降明显,但整体介电常数水平(5.74)低于Al2O3涂层和Y2O3涂层。通过采用空气雾化喷涂技术制备的CBS涂层,经过850-1000℃的烧结处理后,CBS与Al2O3基底之间存在元素扩散,并由此促进了结合强度的提升。(4)由于晶化处理后,纯相CBS涂层与金属基底的结合强度较差。而Al2O3常作为网络中间体参与改善微晶玻璃力学及介电性能。因此详细分析了喷涂功率和混合比例对CBS/Al2O3复合涂层的微观结构及介电性能的影响规律。实验结果显示,喷涂功率和混合比例均通过改变物相分布和晶化过程实现对复合涂层低介电性能的调控。随着晶化温度的升高,复合涂层内部将依次析出Ca Al2Si2O8、β-CaSiO3和Ca B2O4晶相。然而,Al2O3的添加会导致复合涂层晶化难度增大。最终,在密度保持较低水平的情况下(~2.5 g/cm~3),由于残余玻璃相的存在使得CBS/Al2O3复合涂层具有低于纯相CBS或Al2O3基体涂层的介电常数(4.8)以及较好的高温介电稳定性。本文针对高温磁性吸波涂层基体材料研发的迫切需求,结合实验室自主设计搭建的介电测试系统及有效媒质理论和德拜弛豫理论详细分析了涂层微观结构、工艺参数、物相分布和温度等因素对基体涂层介电性能的调控机理。同时,深入探究了复合材料体系中混合比例对基体涂层介电性能的影响规律。并兼顾部分基体涂层的力学及高温性能研究。为等离子喷涂基体涂层的高温、介电和力学结构功能一体化提供了新的实验依据和技术支撑。
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