一種複合透波材料的製備方法與流程
2023-08-07 19:21:46 1
本發明屬於透波材料製備技術領域，具體尤其涉及一種複合透波材料的製備方法。
背景技術：
在精確制導飛行器的需求牽引下，精確制導技術得以迅速發展。而隨著推進技術的進步，飛行器的飛行速度和再入速度越來越高，有的飛行器在大氣層中的飛行速度高達十幾馬赫（ma），由此使得飛行器表面承受的的氣動載荷和氣熱越來越嚴重，進而使得飛行器的電磁導引裝置對其保護部件—天線罩/窗對材料防熱和承載性能提出了更高的要求。另外，為了提高精確制導飛行器的抗電磁幹擾能力和制導精度，要求其電磁窗/罩材料在高溫下仍然具有良好的透波特性，即要求材料具有極低的介電常數和介電損耗，亦即用於製作高馬赫數飛行器天線罩/窗的材料要同時具備良好的耐高溫、耐燒蝕、耐衝刷、抗熱震及力學性能和介電性能等。
目前，高溫透波材料主要分為磷酸鹽基複合材料和矽基複合材料等。陶瓷基複合材料最早被用於高溫天線罩領域，包括玻璃陶瓷、石英陶瓷及氮化矽陶瓷等，這類材料明顯存在著脆性大、力學強度低及耐熱性能差等缺點，其應用受到很大的限制；矽基複合材料具有優良的介電性能和良好的耐高溫性能，是一種穩定的透波材料，但是矽基複合材料的主鏈非常柔順，分子間作用力小，有效交聯密度低，因此矽基複合材料的力學性能較弱，承受載荷的能力有限，這很大程度上限制了矽基複合材料的應用。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題：針對傳統的透波材料耐熱性能差，力學強度低，矽基複合材料的主鏈非常柔順，分子間作用力小，有效交聯密度低，因此矽基複合材料的力學性能較弱，承受載荷的能力有限，這很大程度上限制了矽基複合材料的應用的問題，提供了一種複合透波材料的製備方法。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
（1）稱取水稻秸稈和稻殼，粉碎，過篩，得混合秸稈粉末，將混合秸稈粉末置於管式爐中，在氬氣保護下升溫，保溫熱處理後得炭化物，將炭化物與鎂粉混合，混合後置於管式爐中，在氬氣保護下升溫，保溫燒結後冷卻至室溫，得燒結後的物料；
（2）將燒結後的物料加入鹽酸中，浸泡後過濾得濾渣，用去離子水洗滌濾渣後放入烘箱中，乾燥後得改性混合秸稈粉末；
（3）按重量份數計，分別選取80～100份改性混合秸稈粉末、12～15份碳酸鋰、15～17份鹼式碳酸鎂和13～15份碳酸鈣，依次加入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑，氧化鋯球為球磨介質，球磨後得混合漿料，將混合漿料置於烘箱中，乾燥後過篩得混合粉末；
（4）將混合粉末加入模具中，壓製成型後得坯體，將坯體放入燒結爐中，在氮氣氣氛保護下保溫燒結，冷卻至室溫後得透波基材；
（5）按質量比1:3:20，分別稱取3,3′,4,4′-二苯甲酮四甲酸二酐、二氨基二苯醚和二甲基乙醯胺，並置於三口燒瓶中加熱，保溫攪拌反應後得反應液，將反應液進行真空脫泡，得脫泡後的反應液，並塗覆在透波基材表面，先進行第一次塗覆脫泡後的反應液，塗覆後放入烘箱中，乾燥後取出，再進行第二次塗覆脫泡後的反應液，塗覆後乾燥，乾燥後冷卻至室溫，取出，即可得到複合透波材料。
所述的水稻秸稈與稻殼的質量比為10:1，炭化物與鎂粉質量比為30:1。
所述的燒結後的物料與鹽酸的質量比為1:10，鹽酸的質量分數為5～10%。
所述的炭化溫度為500～600℃，炭化時間為2～3h，所述的燒結溫度為800～900℃，燒結時間為1～2h。
所述的壓製成型的坯體是先在壓力為40～50mpa下壓制60～100s，壓制後再在20～30mpa壓力下壓制4～6min。
所述的坯體燒結是先升溫至500～600℃，保溫1～2h後再升溫至900～1000℃，保溫燒結3～4h。
所述的加熱溫度為80～120℃，反應時間為3～5h。
所述的第一次塗覆的塗覆量為20～40g/m2，第一次乾燥溫度為100～120℃，乾燥時間為30～50min。
所述的第二次塗覆的塗覆量為30～50g/m2，第二次乾燥溫度為150～200℃，乾燥時間為3～5h。
本發明與其他方法相比，有益技術效果是：
（1）本發明先對水稻秸稈在氮氣氣氛保護下進行炭化，將炭化後的水稻秸稈和鎂粉混合，進一步進行高溫燒結，燒結後物質加入酸溶液中浸泡，由於水稻秸稈炭化，酸泡處理後，可以使秸稈的表面產生不同的孔洞結構，並且炭化後的秸稈具有獨特的力學性能和耐溫性能，其耐高溫可達到1700℃以上，表現出優異的電磁波吸收性能；
（2）本發明利用稻殼炭化後會生產二氧化矽，與鎂粉複合燒結，會生成後負載在秸稈孔洞結構中，可以提高透波材料的斷裂韌性，裂韌性達到1.8～2.1（mpa·m1/2）；
（3）本發明將改性秸稈混合粉末、碳酸鋰、鹼式碳酸鎂和碳酸鈣球磨得混合漿料，其中的二氧化矽起到促進燒結和粘結劑的作用，與鋰離子、鎂離子和鈣離子進行複合，得多元複合填料，填料後分散於改性秸稈混合粉末中，得透波基材，得到的透波基材力學性能，熱學性能和介電性能良好的，抗彎強度達到125～170mpa，拉伸強度達到90～120mpa，介電常數為3.2～3.4；
（4）本發明將3,3′,4,4′-二苯甲酮四甲酸二酐、二氨基二苯醚和二甲基乙醯胺製備得反應液塗覆在透波基材上，乾燥後得複合透波材料，反應液在基材表面形成膠凝材料，乾燥後形成結構緻密的膜，可以進一步增強透波材料的耐溫溫度，和透波率，透波率達92～96%。
具體實施方式
按質量比10:1稱取水稻秸稈和稻殼，混合後加入粉碎機中粉碎，過80～100目篩，得混合秸稈粉末，將混合秸稈粉末置於管式爐中，在氬氣保護下以5～10℃/min速率升溫至500～600℃後，保溫熱處理2～3h，得炭化物，按質量比30:1將炭化物與鎂粉混合，混合後置於管式爐中，在氬氣保護下升溫至800～900℃，保溫燒結1～2h，燒結後冷卻至室溫，得燒結後的物料；按質量比1:10將燒結後的物料加入質量分數5～10%鹽酸中，浸泡2～3h後過濾得濾渣，用去離子水洗滌2～4次後放入烘箱中，在60～80℃下乾燥6～8h，乾燥後得改性混合秸稈粉末；按重量份數計，分別選取80～100份改性混合秸稈粉末、12～15份碳酸鋰、15～17份鹼式碳酸鎂和13～15份碳酸鈣，依次加入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑，氧化鋯球為球磨介質，球磨3～5h後得混合漿料，將混合漿料置於烘箱中，在80～90℃下乾燥3～5h，乾燥後過200～220目篩得混合粉末；將混合粉末加入模具中，先在40～50mpa壓力下壓制60～100s，壓制後再在20～30mpa壓力下壓制4～6min，壓製成型後得坯體，將坯體放入燒結爐中，在氮氣氣氛保護下先升溫至500～600℃，保溫1～2h後再升溫至900～1000℃，保溫燒結3～4h後冷卻至室溫，得透波基材；按質量比1:3:20，分別稱取3,3′,4,4′-二苯甲酮四甲酸二酐、二氨基二苯醚和二甲基乙醯胺，並置於三口燒瓶中，將三口燒瓶放入油浴鍋中，加熱至80～120℃，保溫攪拌反應3～5h後得反應液，將反應液進行真空脫泡3～5min後得脫泡後的反應液，並均勻塗覆在透波基材表面，先進行第一次塗覆，塗覆量為20～40g/m2，塗覆後放入烘箱中，在100～120℃溫度下乾燥30～50min，乾燥後取出，再進行第二次塗覆脫泡後的反應液，塗覆量為30～50g/m2，塗覆後在150～200℃溫度下乾燥3～5h，乾燥後冷卻至室溫，取出，即可得到複合透波材料。
實例1
按質量比10:1稱取水稻秸稈和稻殼，混合後加入粉碎機中粉碎，過100目篩，得混合秸稈粉末，將混合秸稈粉末置於管式爐中，在氬氣保護下以10℃/min速率升溫至600℃後，保溫熱處理3h，得炭化物，按質量比30:1將炭化物與鎂粉混合，混合後置於管式爐中，在氬氣保護下升溫至900℃，保溫燒結2h，燒結後冷卻至室溫，得燒結後的物料；按質量比1:10將燒結後的物料加入質量分數10%鹽酸中，浸泡3h後過濾得濾渣，用去離子水洗滌4次後放入烘箱中，在80℃下乾燥8h，乾燥後得改性混合秸稈粉末；按重量份數計，分別選取100份改性混合秸稈粉末、15份碳酸鋰、17份鹼式碳酸鎂和15份碳酸鈣，依次加入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑，氧化鋯球為球磨介質，球磨5h後得混合漿料，將混合漿料置於烘箱中，在90℃下乾燥5h，乾燥後過220目篩得混合粉末；將混合粉末加入模具中，先在50mpa壓力下壓制100s，壓制後再在30mpa壓力下壓制6min，壓製成型後得坯體，將坯體放入燒結爐中，在氮氣氣氛保護下先升溫至600℃，保溫2h後再升溫至1000℃，保溫燒結4h後冷卻至室溫，得透波基材；按質量比1:3:20，分別稱取3,3′,4,4′-二苯甲酮四甲酸二酐、二氨基二苯醚和二甲基乙醯胺，並置於三口燒瓶中，將三口燒瓶放入油浴鍋中，升溫至120℃，保溫攪拌反應5h後得反應液，將反應液進行真空脫泡5min後得脫泡後的反應液，並均勻塗覆在透波基材表面，先進行第一次塗覆，塗覆量為40g/m2，塗覆後放入烘箱中，在120℃溫度下乾燥50min，乾燥後取出，再進行第二次塗覆脫泡後的反應液，塗覆量為50g/m2，塗覆後在200℃溫度下乾燥5h，乾燥後冷卻至室溫，取出，即可得到複合透波材料。
實例2
按質量比10:1稱取水稻秸稈和稻殼，混合後加入粉碎機中粉碎，過80目篩，得混合秸稈粉末，將混合秸稈粉末置於管式爐中，在氬氣保護下以5℃/min速率升溫至500℃後，保溫熱處理2h，得炭化物，按質量比30:1將炭化物與鎂粉混合，混合後置於管式爐中，在氬氣保護下升溫至800℃，保溫燒結1h，燒結後冷卻至室溫，得燒結後的物料；按質量比1:10將燒結後的物料加入質量分數5%鹽酸中，浸泡2h後過濾得濾渣，用去離子水洗滌2次後放入烘箱中，在60℃下乾燥6h，乾燥後得改性混合秸稈粉末；按重量份數計，分別選取80份改性混合秸稈粉末、12份碳酸鋰、15份鹼式碳酸鎂和13份碳酸鈣，依次加入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑，氧化鋯球為球磨介質，球磨3h後得混合漿料，將混合漿料置於烘箱中，在80℃下乾燥3h，乾燥後過200目篩得混合粉末；將混合粉末加入模具中，先在40mpa壓力下壓制60s，壓制後再在20mpa壓力下壓制4min，壓製成型後得坯體，將坯體放入燒結爐中，在氮氣氣氛保護下先升溫至500℃，保溫1h後再升溫至900℃，保溫燒結3h後冷卻至室溫，得透波基材；按質量比1:3:20，分別稱取3,3′,4,4′-二苯甲酮四甲酸二酐、二氨基二苯醚和二甲基乙醯胺，並置於三口燒瓶中，將三口燒瓶放入油浴鍋中，加熱至80℃，保溫攪拌反應3h後得反應液，將反應液進行真空脫泡3min後得脫泡後的反應液，並均勻塗覆在透波基材表面，先進行第一次塗覆，塗覆量為20g/m2，塗覆後放入烘箱中，在100℃溫度下乾燥30min，乾燥後取出，再進行第二次塗覆脫泡後的反應液，塗覆量為30g/m2，塗覆後在150℃溫度下乾燥3h，乾燥後冷卻至室溫，取出，即可得到複合透波材料。
實例3
按質量比10:1稱取水稻秸稈和稻殼，混合後加入粉碎機中粉碎，過90目篩，得混合秸稈粉末，將混合秸稈粉末置於管式爐中，在氬氣保護下以7℃/min速率升溫至550℃後，保溫熱處理2h，得炭化物，按質量比30:1將炭化物與鎂粉混合，混合後置於管式爐中，在氬氣保護下升溫至850℃，保溫燒結2h，燒結後冷卻至室溫，得燒結後的物料；按質量比1:10將燒結後的物料加入質量分數7%鹽酸中，浸泡2h後過濾得濾渣，用去離子水洗滌3次後放入烘箱中，在70℃下乾燥7h，乾燥後得改性混合秸稈粉末；按重量份數計，分別選取90份改性混合秸稈粉末、13份碳酸鋰、16份鹼式碳酸鎂和14份碳酸鈣，依次加入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑，氧化鋯球為球磨介質，球磨4h後得混合漿料，將混合漿料置於烘箱中，在85℃下乾燥4h，乾燥後過210目篩得混合粉末；將混合粉末加入模具中，先在45mpa壓力下壓制80s，壓制後再在25mpa壓力下壓制5min，壓製成型後得坯體，將坯體放入燒結爐中，在氮氣氣氛保護下先升溫至550℃，保溫1h後再升溫至950℃，保溫燒結3h後冷卻至室溫，得透波基材；按質量比1:3:20，分別稱取3,3′,4,4′-二苯甲酮四甲酸二酐、二氨基二苯醚和二甲基乙醯胺，並置於三口燒瓶中，將三口燒瓶放入油浴鍋中，加熱至100℃，保溫攪拌反應4h後得反應液，將反應液進行真空脫泡4min後得脫泡後的反應液，並均勻塗覆在透波基材表面，先進行第一次塗覆，塗覆量為30g/m2，塗覆後放入烘箱中，在110℃溫度下乾燥40min，乾燥後取出，再進行第二次塗覆脫泡後的反應液，塗覆量為40g/m2，塗覆後在170℃溫度下乾燥4h，乾燥後冷卻至室溫，取出，即可得到複合透波材料。
將上述實例1～3所得的複合透波材料進行檢測，其物理性質如下：