硅氮氧陶瓷纤维增强氮化硼陶瓷基透波复合材料的制备与性能研究

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本文瞄准高超音速飞行器对天线罩(天线窗)提出的长时、耐温、透波、承载的工作要求,尤其是长时间耐高温的特别要求,在综述国内外透波材料研究进展的基础上,分析现有耐高温透波材料的优缺点,以硅氮氧纤维和环硼氮烷分别作为增强体和陶瓷先驱体,采用先驱体浸渍-裂解(PIP)工艺制备了(单向)硅氮氧纤维增强氮化硼(SiNOf/BN)陶瓷基透波复合材料,对其力、电、热性能进行了测试和评价。研究了裂解速率、裂解温度等因素对氮化硼陶瓷先驱体环硼氮烷的陶瓷产率以及裂解产物性质的影响。结果表明,陶瓷产率随裂解速率升高而降低;裂解温度越高,其产物密度和结晶度越高,稳定性越好,在升温速率10℃/min、1000℃裂解温度条件下,环硼氮烷聚合物的陶瓷产率约为88.95wt%。研究和分析了热处理工艺对硅氮氧纤维力学性能的影响规律,采用SEM、TEM、XRD表征了纤维热处理前后外观形貌、内部结构的变化。结果表明,纤维力学性能对热处理温度和次数比较敏感。在空气气氛中,纤维强度随温度升高而降低,在1100℃处理后强度只有原纤维的40%左右;随着热处理次数的增加,纤维的强度有所损失,在第一次处理后,下降幅度约20%,但在第二次处理以后,下降幅度约5%的水平。热处理升温速率、保温时间对纤维力学性能影响不大。采用PIP工艺制备了SiNOf/BN复合材料,并对影响其力学性能的关键工艺因素进行研究和分析。先驱体环硼氮烷对硅氮氧纤维浸润性较好,单向纤维预制件内部孔隙较大,使得SiNOf/BN复合材料致密化效率高,经过2次PIP循环以后,即可达到较高密度,此后增长幅度趋于平缓。随着循环次数增加,SiNOf/BN复合材料孔隙率逐渐降低,密度逐渐提高,弯曲强度和弯曲模量随之提高。在800℃1000℃裂解温度范围内,SiNOf/BN复合材料的弯曲强度和弯曲模量与裂解温度正相关,分别由800℃的128.9MPa和23.5GPa上升到1000℃的148.2MPa和26.2GPa;但在不同裂解温度下,SiNOf/BN复合材料的致密化行为保持一致。延长裂解保温时间,SiNOf/BN复合材料密度提高,相应地其弯曲强度和弯曲模量均有所提高,但提高幅度不大,裂解保温时间不是影响SiNOf/BN复合材料力学性能的关键因素。在1600℃热处理后,SiNOf/BN复合材料中的硅氮氧纤维因结晶和部分分解,失去增强功能,导致复合材料的力学性能严重下降。考察了SiNOf/BN复合材料的介电性能和热物理性能。在800℃1000℃裂解温度范围内,其相对介电常数与裂解温度正相关,由3.45上升到3.83;而其介电损耗角正切则与裂解温度负相关,由7.0x10-3下降到4.6x10-3。不同裂解温度制备的SiNOf/BN复合材料介电性能相差不大。在室温100℃和室温200℃范围内,其比热分别为0.91kJ/kg·℃和0.97kJ/kg·℃,导热系数分别为1.2W/m·K和1.3W/m·K。在室温800℃范围内,热膨胀系数为2.202.75x10-6/K,其平均变化在10%范围以内。将SiNOf/BN和SiO2f/BN复合材料各项性能进行了对比研究,二者在介电性能和热稳定性方面相差不大,但是在耐高温性能方面,前者相对后者能够保持更强的高温力学性能。
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