一種耐高溫頻率選擇透波結構及其製備方法與流程
2023-08-06 07:49:11 2
本發明主要涉及頻率選擇透波結構及其製備工藝，具體涉及一種耐高溫頻率選擇透波結構及其製備方法。
背景技術：
透波材料以及結構（天線罩、天線窗、雷達罩等）是天線以及通訊系統的重要組成部分，它具有保護天線以及通訊系統、維持飛行器外形等重要作用，同時要滿足天線以及通訊系統的透波功能要求，使之可以正常工作。隨著天線以及通訊系統對全向透波、寬頻段（或多頻點）、選頻透波、隱身等性能要求的提高，傳統的透波材料及結構已經不能滿足要求。
頻率選擇表面是由大量的無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結構，它由周期性排列的導體貼片單元或在導體屏上周期性排列的孔徑單元構成。這種表面可以在單元諧振頻率附近呈現全反射（貼片型）或全傳輸特性（孔徑型），分別稱為帶阻或帶通型頻率選擇表面。大量的理論以及實踐證明，通過合理的結構設計，將頻率選擇表面技術應用於透波結構中，可實現電磁波的寬頻段（或多頻點）、大角度範圍內的高透過率，同時利用頻率選擇表面的頻選透波特性，還可用於隱身技術，如應用於雷達天線罩中以降低天線系統工作頻段外的雷達散射截面。
此外，隨著通訊系統發射功率的提高以及飛行器飛行速度的增加，對具有耐高溫能力的頻率選擇透波結構提出了新的需求。現有技術報導的頻率選擇表面主要通過印刷電路板工藝、 光刻鍍膜工藝以及絲網印刷工藝製備，選用的頻率選擇表面基材以及導電周期圖案材料均不具備耐受400℃以上的能力。
針對現有技術的不足，201410551086.7號中國專利提出了一種耐高溫頻率選擇表面透波材料及其製備方法。該專利以多孔氮化矽陶瓷材料為基材，以耐高溫導電陶瓷（TiB2或TiN）或耐高溫金屬（鉑、鎢或鉬中的一種）為頻率選擇表面材料，從選用的材料體系看，具有較好的耐溫能力，但也存在以下明顯不足：1）採用的多孔氮化矽陶瓷材料具有力學性能差的缺點，同時採用的多孔氮化矽陶瓷材料的抗熱震性能差，脆性大，容易在高低溫交替環境下出現破裂問題，可靠性差；2）採用的TiB2或TiN導電陶瓷材料以及鎢、鉬金屬材料高溫抗氧化性能差，高溫富氧環境下使用時會由於氧化出現嚴重的電性能下降問題，從而影響頻率選擇表面的透波性能。同時，該專利採用的透波材料為多層結構形式，較為複雜，而且不同層間通過磷酸二氫鋁粘結劑粘接，具有層間強度低的問題。此外，該文獻公開的技術方案並未採用相應的技術對多孔氮化矽基材表面進行處理，因此在多孔基材上製備的頻率選擇表面必然存在質量較差的缺點，周期圖案的尺寸穩定性以及各周期單元的電性能均無法得到有效保證。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種耐高溫頻率選擇透波結構及其製備方法。
為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：
一種耐高溫頻率選擇透波結構，所述耐高溫頻率選擇透波結構為多層結構，由內至外依次包括透波層、修飾粘接層和頻率選擇層，所述透波層為連續纖維增強陶瓷基透波複合材料（其具有力學、電性能俱佳的優點，更為重要的是相對多孔氮化矽等單體陶瓷材料，由於連續纖維增韌相的引入，可以有效避免材料的脆性問題，提高了材料的可靠性）；所述修飾粘接層為低介電常數材料（修飾粘接層一方面可以對複合材料表面進行有效的修飾，從而在複合材料表面形成緻密的修飾層，便於高質量頻率選擇層的製備，同時還可以為頻率選擇層提供燒結粘接層，從而提高頻率選擇層的附著力）；所述頻率選擇層為具有周期結構圖案的貴金屬物理鍍層或貴金屬玻璃導體塗層（兩者均具有優異的高溫抗氧化性能，可以確保其在高溫富氧環境下應用過程的可靠性）。
上述耐高溫頻率選擇透波結構，優選的，所述連續纖維增強陶瓷基透波複合材料包括石英纖維增強石英複合材料、石英纖維增強氮化物複合材料、鋁矽酸鹽纖維增強氧化矽複合材料、鋁矽酸鹽纖維增強鋁矽酸鹽複合材料、鋁矽酸鹽纖維增強氧化鋁複合材料、氧化鋁纖維增強氧化矽複合材料、氧化鋁纖維增強鋁矽酸鹽複合材料或氧化鋁纖維增強氧化鋁複合材料；所述石英纖維增強氮化物複合材料包括石英纖維增強氮化硼複合材料和/或石英纖維增強氮化矽複合材料；所述低介電常數材料包括硼矽酸鹽玻璃、石英玻璃、鋰鋁矽（LAS）玻璃、莫來石、堇青石（MAS）或鋇長石（BAS）等。
優選的，所述貴金屬物理鍍層或貴金屬玻璃導體塗層中採用的貴金屬包括銀、金、鈀和鉑中的一種或其中幾種的合金。
優選的，所述修飾粘結層的厚度為0.1mm～0.2mm；所述頻率選擇層中，貴金屬物理鍍層的厚度為0.5μm～5μm，貴金屬玻璃導體塗層的厚度為20μm～50μm。
本發明的上述技術方案是基於特定材料組成的多層結構（且特別優選為三層結構），通過採用上述的產品技術方案，在保證耐高溫頻率選擇透波結構具有較好的力學性能、耐熱震性能的同時，還具有較好的耐高溫性能和抗氧化性能，同時還不會降低耐高溫頻率選擇透波結構的電性能。
基於一個總的技術構思，本發明還提供一種上述耐高溫頻率選擇透波結構的製備方法，包括以下步驟：
（1）根據耐溫、力學以及透波性能要求確定透波層的材料，以所述透波層為基板，對所述基板進行噴砂粗化處理；
（2）將低介電常數材料粉體通過噴霧工藝造粒後，採用等離子噴塗工藝將其噴塗在步驟（1）後得到的基板表面，形成修飾粘結層；
（3）在經打磨光滑後的修飾粘結層表面製備貴金屬物理鍍層或貴金屬玻璃導體塗層；
（4）採用雷射加工工藝，根據電性能設計要求在貴金屬物理鍍層或貴金屬玻璃導體塗層表面刻蝕周期結構圖案，製成頻率選擇層，即得到所述的耐高溫頻率選擇透波結構。
上述的製備方法，優選的，所述步驟（1）中，噴砂粗化處理採用的氣壓為3MPa～5MPa，噴砂距離為30mm～50mm，沙子粒徑為50μm～100μm，噴砂時間為1min～3min。
優選的，所述步驟（2）中，等離子噴塗工藝採用的Ar流量為20NL/min～40NL/min，H2流量為8NL/min～12NL/min；送粉氣流Ar流量為2.5NL/min～3.2NL/min，送粉量為10%～30%，電流為500A～600A，功率為30kW～50kW，噴塗距離為100mm～150mm。
優選的，所述步驟（3）中，貴金屬物理鍍層採用磁控濺射工藝製備，製備時採用的保護氣氛為Ar氣，濺射功率為80W～120W，氣氛壓強控制為0.5Pa～2Pa，濺射時間為5min～50min；貴金屬玻璃導體塗層由貴金屬玻璃漿料經過絲網印刷-燒結工藝製備而成，燒結時採用的峰值燒結溫度為600℃～900℃，升溫速度為20℃/min～30℃/min，燒結時間為10min～30min。
優選的，所述步驟（3）中，貴金屬玻璃漿料的製備方法，包括以下步驟：
① 將玻璃原料粉體混合均勻，在1200℃～1400℃下進行高溫熔煉1h～3h，熔化後在去離子水中進行淬冷，得到玻璃材料；所述玻璃原料粉體包括以下質量百分數的各組分：CaO 14～16 wt%，BaO 17～19 wt%，B2O3 33～35 wt%，Al2O3 15～17 wt%，SiO214～16 wt%；
② 將步驟①得到的玻璃材料以丙酮為球磨介質，按球料比為（2～3）：1、球磨轉速為380r/min～450r/min進行球磨6h～12h，烘乾，過200目～400目篩，得到玻璃粉；
③ 將貴金屬粉體與步驟②得到的玻璃粉按照（75～85）：（15～25）的質量比混勻，得到混合粉體；
④ 將有機載體與步驟③得到的混合粉體按（20～25）：（75～80）的質量比混合，通過研磨後得到粘度為150pa·s～300pa·s的貴金屬玻璃漿料；所述有機載體包括以下質量百分數的各組分：檸檬酸三丁酯80%～90%、硝酸纖維素2%～5%和卵磷脂5%～18%。
優選的，所述步驟（4）中，雷射加工工藝採用皮秒雷射器進行加工，雷射功率為2W～20W，掃描速度為20mm/s～50mm/s，掃描次數為2次～3次。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
1. 本發明的耐高溫頻率選擇透波結構可以耐受700℃以上高溫，具有較好的耐高溫性能；本發明採用的連續纖維增強陶瓷基透波複合材料基材具有力學、電性能俱佳的優點，可以有效避免單體陶瓷材料的脆性問題，提高了材料的可靠性；採用的修飾粘接層便於高質量頻率選擇層的製備，同時還可以為頻率選擇層提供燒結粘接層，從而提高頻率選擇層的附著力；所述頻率選擇層採用耐高溫貴金屬物理鍍層或貴金屬玻璃導體塗層材料，兩者均具有優異的高溫抗氧化性能，可以確保其在高溫富氧環境下應用過程的可靠性。
2. 本發明的製備方法，採用等離子噴塗工藝製備修飾粘結層，可以避免對基材的熱損傷，使基材具有較高的強度保留率；採用雷射加工工藝製備的頻率選擇層，尺寸精度可以優於20μm，具有較好的尺寸精度。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明的耐高溫頻率選擇透波結構的結構示意圖。
圖2為實施例1中製備的銀鈀漿料實物圖。
圖3為實施例1中雷射加工工藝現場圖。
圖4為實施例1中頻率選擇層光學圖。
圖5為實施例1中頻率選擇層金相顯微鏡圖。
圖6為實施例2中頻率選擇層光學圖。
圖7為實施例2中頻率選擇層金相顯微鏡圖。
圖例說明：1、透波層；2、修飾粘結層；3、頻率選擇層。
具體實施方式
為了便於理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發明做更全面、細緻地描述，但本發明的保護範圍並不限於以下具體實施例。
除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，並不是旨在限制本發明的保護範圍。
除非另有特別說明，本發明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現有方法製備得到。
實施例1：
一種本發明的耐高溫頻率選擇透波結構，如圖1所示，所述頻率選擇透波結構由內至外依次包括透波層1、修飾粘結層2和頻率選擇層3，所述透波層1為石英纖維增強石英複合材料，所述修飾粘結層2為石英玻璃塗層，所述頻率選擇層3為具有周期結構圖案的銀鈀玻璃導體塗層，所述粘結層2的厚度為0.1mm，所述銀鈀玻璃導體塗層的厚度為30μm。
上述本實施例的耐高溫頻率選擇透波結構的製備方法，包括以下步驟：
（1）確定透波層的材料為石英纖維增強石英複合材料，以石英纖維增強石英複合材料為基板進行噴砂粗化處理；噴砂粗化處理的工藝參數為：氣壓5MPa，噴砂距離50mm，沙子粒徑50μm ~100μm，噴砂時間2min；
（2）將石英玻璃粉體通過噴霧工藝造粒後，採用等離子噴塗工藝將其噴塗在步驟（1）後得到的基板表面，形成修飾粘結層；等離子噴塗工藝的工藝參數為：Ar 流量為20NL/min，H2流量為12NL/min，送粉氣流Ar流量為2.8NL/min，送粉量15%，電流500A，功率30kW，噴塗距離100mm；
（3）將修飾粘結層打磨光滑，控制粗糙度Ra小於5μm，將銀鈀玻璃漿料採用絲網印刷工藝印製於修飾粘結層上，共印製兩遍，靜置流平10min，150℃乾燥10min，然後進行燒結，燒結的工藝參數為：峰值燒結溫度為700℃，升溫速度為20℃/min，峰值溫度燒結時間為30min；
所述銀鈀玻璃漿料的製備方法，包括以下步驟：
① 將包含CaO 15 wt%、BaO 18 wt%、B2O3 35 wt%、Al2O3 16 wt%和SiO2 16 wt%的玻璃原料粉體混合均勻，裝入鉑金坩堝中，再一起置於馬弗爐中，以20℃/min升到1300℃，保溫2h，將熔化後的玻璃熔體倒入去離子水中進行淬冷，即得到所需的玻璃材料；
② 將步驟①得到的玻璃材料進行球磨，球磨在瑪瑙球磨罐中進行，以丙酮為球磨介質，球料比為2：1，轉速為450r/min，球磨時間為8h，球磨完成後100℃烘乾1h、過250目篩，得到所需粒徑的玻璃粉；
③ 將金屬Ag粉、金屬Pd粉與步驟②得到的玻璃粉按照質量比60：20：20的質量比，在行星式重力攪拌機中混料，得到混合粉體，攪拌機的公轉速度為1460rpm，自轉速度30%，時間120min；
④ 按質量分數將檸檬酸三丁酯80%、硝酸纖維素5%和卵磷脂15%配製成有機載體，然後將得到的有機載體與步驟③得到的混合粉體按25：75的質量比混合，然後通過三輥研磨機中研磨混料，轉速為300r/min，研磨混料時間為3h，得到銀鈀漿料（如圖2所示），漿料的粘度為220Pa·s；
（4）如圖3所示，採用雷射器在銀鈀玻璃塗層表面刻蝕出設計圖案，雷射功率5W，掃描速度40mm/s，掃描2次，製成頻率選擇層（如圖4和圖5），即得到所述的耐高溫頻率選擇透波結構。
本製備方法用等離子噴塗工藝製備修飾粘結層，可以避免對基材的熱損傷，使基材具有較高的強度保留率；採用雷射加工工藝製備的頻率選擇層，尺寸精度可以優於20μm，具有較好的尺寸精度。本實施例製備得到的耐高溫頻率選擇透波結構，經過700℃、30min空氣環境熱考核後，經測試，電性能維持不變，說明本發明的耐高溫頻率選擇透波結構具有優異的耐高溫性能。
實施例2：
一種本發明的耐高溫頻率選擇透波結構，如圖1所示，所述頻率選擇透波結構由內至外依次包括透波層1、修飾粘結層2和頻率選擇層3，所述透波層1為石英纖維增強石英複合材料，所述修飾粘結層2為莫來石塗層，所述頻率選擇層3為具有周期結構圖案的金鍍層，所述粘結層2的厚度為0.1mm，所述金鍍層的厚度為2μm。
上述本實施例的耐高溫頻率選擇透波結構的製備方法，包括以下步驟：
（1）確定透波層的材料為石英纖維增強石英複合材料，以石英纖維增強石英複合材料為基板進行噴砂粗化處理；噴砂粗化處理的工藝參數為：氣壓3MPa，噴砂距離30mm，沙子粒徑50μm ~100μm，噴砂時間1min；
（2）將莫來石粉體通過噴霧工藝造粒後，採用等離子噴塗工藝將其噴塗在步驟（1）後得到的基板表面，形成修飾粘結層；等離子噴塗工藝的工藝參數為：Ar 流量為30NL/min，H2流量為10NL/min，送粉氣流Ar流量為3NL/min，送粉量20%，電流500A，功率40kW，噴塗距離150mm；
（3）將修飾粘結層打磨光滑，控制粗糙度Ra小於5μm，採用磁控濺射工藝製備金鍍層，磁控濺射工藝的工藝參數為：製備Au薄膜，製備時保護氣氛Ar氣的工作氣壓為0.5Pa，濺射溫度為200℃，濺射功率為100W，濺射時間為20min；
（4）採用雷射器在金鍍層表面刻蝕出設計圖案，雷射功率4W，掃描速度50mm/s，掃描2次，製成頻率選擇層（如圖6和圖7），即得到所述的耐高溫頻率選擇透波結構。
本製備方法用等離子噴塗工藝製備修飾粘結層，可以避免對基材的熱損傷，使基材具有較高的強度保留率；採用雷射加工工藝製備的頻率選擇層，尺寸精度可以優於20μm，具有較好的尺寸精度。本實施例製備得到的耐高溫頻率選擇透波結構，經過800℃、30min空氣環境熱考核後，經測試，電性能維持不變，說明本發明的耐高溫頻率選擇透波結構具有優異的耐高溫性能。
實施例3：
一種本發明的耐高溫頻率選擇透波結構，如圖1所示，所述頻率選擇透波結構由內至外依次包括透波層1、修飾粘結層2和頻率選擇層3，所述透波層1為鋁矽酸鹽纖維增強氧化矽複合材料，所述修飾粘結層2為莫來石塗層，所述頻率選擇層3為具有周期結構圖案的銀鈀玻璃導體塗層，所述粘結層2的厚度為0.1mm，所述銀鈀玻璃導體塗層的厚度為30μm。
上述本實施例的耐高溫頻率選擇透波結構的製備方法，包括以下步驟：
（1）確定透波層的材料為鋁矽酸鹽纖維增強氧化矽複合材料，以鋁矽酸鹽纖維增強氧化矽複合材料為基板進行噴砂粗化處理；噴砂粗化處理的工藝參數為：氣壓5MPa，噴砂距離50mm，沙子粒徑50μm ~100μm，噴砂時間2min；
（2）將莫來石粉體通過噴霧工藝造粒後，採用等離子噴塗工藝將其噴塗在步驟（1）後得到的基板表面，形成修飾粘結層；等離子噴塗工藝的工藝參數為：Ar 流量為30NL/min，H2流量為10NL/min，送粉氣流Ar流量為3NL/min，送粉量20%，電流500A，功率40kW，噴塗距離150mm；
（3）將修飾粘結層打磨光滑，控制粗糙度Ra小於5μm，將銀鈀玻璃漿料採用絲網印刷工藝印製於修飾粘結層上，共印製兩遍，靜置流平10min，150℃乾燥10min，然後進行燒結，燒結的工藝參數為：峰值燒結溫度為850℃，升溫速度為30℃/min，峰值溫度燒結時間為10min；
所述銀鈀玻璃漿料的製備方法，包括以下步驟：
① 將包含CaO 15 wt%、BaO 18 wt%、B2O3 35 wt%、Al2O3 16 wt%和SiO2 16 wt%的玻璃原料粉體混合均勻，裝入鉑金坩堝中，再一起置於馬弗爐中，以20℃/min升到1300℃，保溫2h，將熔化後的玻璃熔體倒入去離子水中進行淬冷，即得到所需的玻璃材料；
② 將步驟①得到的玻璃材料進行球磨，球磨在瑪瑙球磨罐中進行，以丙酮為球磨介質，球料比為2：1，轉速為450r/min，球磨時間為8h，球磨完成後100℃烘乾1h、過250目篩，得到所需粒徑的玻璃粉；
③ 將金屬Ag粉、金屬Pd粉與步驟②得到的玻璃粉按照質量比60：20：20的質量比，在行星式重力攪拌機中混料，得到混合粉體，攪拌機的公轉速度為1460rpm，自轉速度30%，時間120min；
④ 按質量分數將檸檬酸三丁酯80%、硝酸纖維素5%和卵磷脂15%配製成有機載體，然後將得到的有機載體與步驟③得到的混合粉體按25：75的質量比混合，然後通過三輥研磨機中研磨混料，轉速為300r/min，研磨混料時間為3h，得到銀鈀漿料，漿料的粘度為220Pa·s；
（4）採用雷射器在銀鈀玻璃塗層表面刻蝕出設計圖案，雷射功率3W，掃描速度50mm/s，掃描3次，製成頻率選擇層，即得到所述的耐高溫頻率選擇透波結構。
本製備方法用等離子噴塗工藝製備修飾粘結層，可以避免對基材的熱損傷，使基材具有較高的強度保留率；採用雷射加工工藝製備的頻率選擇層，尺寸精度可以優於20μm，具有較好的尺寸精度。本實施例製備得到的耐高溫頻率選擇透波結構，經過800℃、30min空氣環境熱考核後，經測試，電性能維持不變，說明本發明的耐高溫頻率選擇透波結構具有優異的耐高溫性能。
實施例4：
一種本發明的耐高溫頻率選擇透波結構，如圖1所示，所述頻率選擇透波結構由內至外依次包括透波層1、修飾粘結層2和頻率選擇層3，所述透波層1為氧化鋁纖維增強氧化鋁複合材料，所述修飾粘結層2為鋇長石塗層，所述頻率選擇層3為具有周期結構圖案的鉑鍍層，所述粘結層2的厚度為0.1mm，所述鉑鍍層的厚度為3μm。
上述本實施例的耐高溫頻率選擇透波結構的製備方法，包括以下步驟：
（1）確定透波層的材料為氧化鋁纖維增強氧化鋁複合材料，以氧化鋁纖維增強氧化鋁複合材料為基板進行噴砂粗化處理；噴砂粗化處理的工藝參數為：氣壓4MPa，噴砂距離40mm，沙子粒徑50μm ~100μm，噴砂時間1min；
（2）將鋇長石粉體通過噴霧工藝造粒後，採用等離子噴塗工藝將其噴塗在步驟（1）後得到的基板表面，形成修飾粘結層；等離子噴塗工藝的工藝參數為：Ar 流量為30NL/min，H2流量為10NL/min，送粉氣流Ar流量為3NL/min，送粉量20%，電流500A，功率50kW，噴塗距離100mm；
（3）將修飾粘結層打磨光滑，控制粗糙度Ra小於5μm，採用磁控濺射工藝製備金鍍層，磁控濺射工藝的工藝參數為：製備鉑薄膜，製備時保護氣氛Ar氣的工作氣壓為0.6Pa，濺射溫度為300℃，濺射功率為100W，濺射時間為30min；
（4）採用雷射器在金鍍層表面刻蝕出設計圖案，雷射功率3W，掃描速度50mm/s，掃描2次，製成頻率選擇層，即得到所述的耐高溫頻率選擇透波結構。
本製備方法用等離子噴塗工藝製備修飾粘結層，可以避免對基材的熱損傷，使基材具有較高的強度保留率；採用雷射加工工藝製備的頻率選擇層，尺寸精度可以優於20μm，具有較好的尺寸精度。本實施例製備得到的耐高溫頻率選擇透波結構，經過800℃、30min空氣環境熱考核後，經測試，電性能維持不變，說明本發明的耐高溫頻率選擇透波結構具有優異的耐高溫性能。