氧化鋯增韌石英陶瓷透波材料的研究

韓龍 梁慧

摘 要：主要研究了通過添加微米級(jí)氧化鋯來提高石英陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度。結(jié)果表明，當(dāng)添加5Wt%的氧化鋯時(shí)，石英陶瓷的力學(xué)性能明顯改善，抗彎強(qiáng)度由36.53MPa增至58.95MPa，氣孔率下降，而且沒有引起石英陶瓷的大量析晶 。對(duì)引起這種變化的原因進(jìn)行了分析，并用SEM對(duì)材料的微觀形貌進(jìn)行觀察，用壓汞儀測(cè)試材料的氣孔率，用X射線衍射對(duì)材料的成份進(jìn)行定性分析。

關(guān)鍵詞：石英陶瓷;氧化鋯增韌;力學(xué)性能;介電性能

1 前 言

石英陶瓷材料具有優(yōu)良的介電、熱學(xué)和力學(xué)等綜合性能，是目前導(dǎo)彈天線罩的主要應(yīng)用材料[1]。

材料的介電性能（介電常數(shù)和損耗角正切）直接影響天線罩的電性能，是選擇材料的主要依據(jù)[2]。 損耗角正切（tgδ）越大，電磁波能量在透過天線罩過程中轉(zhuǎn)化為熱量而損耗掉的能量就越多。介電常數(shù)（ε）越，則電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，這將增加鏡像波瓣電平并降低傳輸效率。因此，要求天線罩材料的損耗角正切低至接近于零，介電常數(shù)盡可能低，以達(dá)到“最大傳輸”和“最小反射”的目的[3]。低介電常數(shù)的材料還能給天線罩帶來寬頻帶響應(yīng)，允許放寬壁厚公差，從而降低制造成本[4]。

一般來說，透波材料的適宜相對(duì)介電常數(shù)值為1～4，損耗角正切值為10-1～10-3。石英陶瓷材料具有優(yōu)良的介電性能、低介電常數(shù)、低膨脹系數(shù)、優(yōu)良的抗熱震性能及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)成為研制導(dǎo)彈天線罩的首選材料（國(guó)內(nèi)先進(jìn)型號(hào)導(dǎo)彈的天線罩采用石英陶瓷作為天線罩材料[5]）

隨著新型號(hào)天線罩的不斷研制和開發(fā)，對(duì)石英陶瓷材料的要求越來越高，近年來科學(xué)家們受先進(jìn)陶瓷進(jìn)展的啟發(fā)，開始探索玻璃陶瓷的強(qiáng)化增韌來克服石英陶瓷室溫強(qiáng)度低的缺點(diǎn)[6]。本文受氧化鋯增韌陶瓷的啟發(fā)，用微米氧化鋯來強(qiáng)化增韌石英陶瓷，并加入納米二氧化硅起到的納米效應(yīng)，在玻璃陶瓷的強(qiáng)化增韌方面做些初步的探索，以求在天線罩材料的研制上取得進(jìn)展。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原料與配方

實(shí)驗(yàn)原料見表1

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

按表2的實(shí)驗(yàn)配方稱料，在尼龍罐中混料20min，轉(zhuǎn)速為250r/min，烘干后，用PVA做粘結(jié)劑造粒，陳腐24h，在100MPa下壓制成尺寸為40mm×40mm×h（8～10）mm的試樣，置于硅碳棒程控電爐中，以5 ℃/min 的升溫速度，在1200℃燒結(jié)，保溫10min后，自然降溫。

3.結(jié)果與討論

3.1 強(qiáng)度測(cè)試及分析

將試樣切成2.5mm×5mm×25mm試條，在美國(guó)Instron 5569型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，壓頭位移速度為0.5 mm/min，最終結(jié)果取平均值，如圖1。

從圖1可以看出在燒結(jié)溫度均為1200℃時(shí)，ZrO2含量在5%時(shí)達(dá)到了最高值;再提高ZrO2含量反而會(huì)使強(qiáng)度有所降低，其原因在于ZrO2的加入使得坯體更難于燒結(jié)，致密度下降，氣孔率提高。

3.2介電性能測(cè)試及分析

利用NETZSCH 固化監(jiān)測(cè)儀測(cè)試樣品的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗。

測(cè)試過程中，樣品被置于兩個(gè)電極（介電傳感器）之間，在一側(cè)電極上施加正弦的激發(fā)電壓，使材料中的偶極子在電場(chǎng)中取向，離子移向不同極性的電極。在另一側(cè)電極則測(cè)量得到的正弦感應(yīng)信號(hào)。由于感應(yīng)信號(hào)的相位變化和振幅衰減與材料中離子移動(dòng)性和偶極子取向有關(guān)，由此可以計(jì)算出材料的

介電常數(shù)和損耗因子。結(jié)果見圖2 。

由圖2看出，ZrO2的含量的逐漸增加，材料的介電常數(shù)呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)橐氲腪rO2材料的介電常數(shù)明顯比石英陶瓷的大，ZrO2的含量越高，材料整體的介電常數(shù)越高，所以，ZrO2的加入量不宜過高。

3.3 微觀形貌分析

用日本日立公司的（SEM）S-2500掃描電鏡型研究試樣的微觀形貌。

由圖3看出，不添加ZrO2時(shí)，陶瓷的結(jié)構(gòu)不太致密，有大晶粒生成，對(duì)強(qiáng)度影響很大。含5%ZrO2的石英陶瓷結(jié)構(gòu)致密，并有玻璃相起到連通作用，對(duì)于石英陶瓷這種材料，這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的增加是很有利的。含10% ZrO2的材料結(jié)構(gòu)很致密。含15% ZrO2的材料結(jié)構(gòu)疏松，顆粒大小不均勻。含20% ZrO2的材料結(jié)構(gòu)疏松，致密度很差，氣孔率高。

3.4孔隙度測(cè)試分析

測(cè)試采用美國(guó)的的Poremaster-60型全自動(dòng)孔隙度分析儀（壓汞儀）。測(cè)試結(jié)果見圖4。

可見，孔隙度的測(cè)試值與抗彎強(qiáng)度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，孔隙度越高，強(qiáng)度越低。氣孔增多，材料的致密度必然下降。由微觀形貌也可以看出，顆粒均勻，排列緊密的材料，氣孔率下，強(qiáng)度值高。

3.5 材料的X射線分析

測(cè)試采用D/Max-rA型X射線衍射儀。

由圖5可以看出，五種配比的石英陶瓷都沒有SiO2晶體，析晶不明顯，說明適當(dāng)?shù)募尤隯rO2，不會(huì)引起石英陶瓷的大量析晶，因而對(duì)強(qiáng)度只能增強(qiáng)，不會(huì)因析晶導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

4.結(jié)論

（1）總SiO2（其中微粉80% +粗粉10% +納粉10% ）含量占95%、ZrO2+ Y2O3（ 97.2mol% ZrO2+2.8mol% Y2O3 ）的總含量占5%時(shí)抗彎強(qiáng)度最佳。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）在1200 ℃的溫度下燒結(jié)時(shí)ZrO2含量在5%時(shí)有明顯的增韌效果，彎曲強(qiáng)度從抗彎強(qiáng)度由36.53MPa增至58.95MPa。

（3）ZrO2的加入并沒有引起石英陶瓷的大量析晶。

（4）ZrO2含量5%時(shí)石英陶瓷的介電常數(shù)為3.11，損耗角正切為0.00994。依據(jù)透波材料的適宜條件，能夠滿足透波材料的需要。

參考文獻(xiàn)

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[3]崔雪峰，李建平，李明星，周杰，李鑫，成來飛，劉永勝，葉昉.氮化物基陶瓷高溫透波材料的研究進(jìn)展[J].航空材料學(xué)報(bào)，2020，40（01）：21-34.

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