基本信息
- 項目名稱：
- 新型透波隔熱功能一體化氮化硅基復合材料
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本材料主要應用于航空航天領域，保護飛行器在惡劣環(huán)境條件下通訊、遙測、制導、引爆等系統(tǒng)能正常工作。 作品結合溶膠-凝膠工藝和冷凍干燥工藝，融合SiO2和Si3N4，加入MgO和Al2O3粉體，最終在1200℃下制得了介電常數(shù)ε=2.5～8、介電損耗tgδ<3×10-3，抗壓強度約30MPa，耐雨蝕、沙蝕性能良好，可耐1200℃的高溫，熱導系數(shù)0.08~0.1W/m?K的透波隔熱功能一體化材料。
- 詳細介紹：
- 一、研究背景及意義： 隨著當代科學技術的發(fā)展，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要及導彈技術的飛速發(fā)展，航空、航天能源等技術領域對材料的要求越來越高，具有優(yōu)異的介電性能、良好耐熱性、耐環(huán)境性以及一定的機械強度的功能材料如透波隔熱材料等的開發(fā)和研究已經變得十分重要。 國外從五十年代開始著手高溫天線罩材料的研究[1]，從纖維增強塑料[2]、氧化鋁陶瓷[3]、微晶玻璃、石英陶瓷一路發(fā)展到現(xiàn)在的復合材料。Si3N4陶瓷是先進陶瓷中綜合性能最好的材料之一，它的電學、熱學和機械性質十分優(yōu)良，在氧化氣氛中可使用到1400°C，在中性或還原性氣氛中可使用到1850°C。它既突出了一般陶瓷材料的堅硬、耐熱、耐磨、耐腐蝕的優(yōu)點，又具備了抗熱震好、耐高溫蠕變、自潤滑好、化學穩(wěn)定性能佳等優(yōu)勢，還具有相對較低的密度以及低的介電常數(shù)、介電損耗等優(yōu)良的介電性能。近十幾年來，以氮化硅為基本組成的復合陶瓷材料天線罩是西方研究的主要方向之一。1997年，在美國陸軍部的支持下研制出以無壓燒結SiON納米復合材料陶瓷天線罩，應用于超音速飛行器。該材料在20℃和1000℃的介電常數(shù)和介電損耗分別為4.78、5.0和0.0014、0.0025，介電常數(shù)變化不到4.7%，彎曲強度為190MPa，為石英陶瓷強度(48MPa)的4倍，硬度是石英陶瓷的2～5倍，綜合性能顯著優(yōu)于石英陶瓷。2003年伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍使用的PAc一3愛國者導彈裝備了Ceradyne公司研制的IRBAs氮化硅基陶瓷天線罩。該材料抗彎強度達到550MPa，介電常數(shù)和介電損耗分別為7.6、0.002:其擁有優(yōu)異的高溫力學性能，介電常數(shù)在超過1000℃時仍具有良好的穩(wěn)定性[4-7]。 國內這方面的研究從上世紀70年代末開始，中科院硅酸鹽研究所研究的3-3微晶玻璃是國內第一種高溫天線罩材料。然而早期研究多偏向于氧化硅基復合材料，主要成分是石英玻璃等，它們雖然具有良好的介電性能突出的抗熱震性能和較低的密度，但是機械強度太差、抗雨蝕能力也很糟糕，限制了其應用，吳潔華、吉村昌弘、F.P.Meyer等人根據(jù)復合材料原理以石英為基體采用顆粒、晶須或纖維增韌來改變其力學性能、熱學性能及抗雨蝕性能，取得了良好的效果[8-11]。隨著材料的發(fā)展，氮化物在國內逐漸被重視，國防科技大學利用PIP工藝制備了石英織物增強Si-N-B陶瓷天線罩材料，密度1.71g/cm3，彎曲強度130MPa，ε=3.11，tanδ=0.0009，熱、力、電綜合性能優(yōu)良[12]。山東工業(yè)陶瓷研究設計院制備出的多孔氮化硅氣孔率45~63%，密度（1.1~1.5g/cm3）,介電損耗tgδ<0.002，可耐高溫1600~1800℃，抗彎強度(60~160Mpa)，綜合性能良好[7]。 多孔陶瓷又稱氣孔功能陶瓷，具有低密度、高滲透率、抗腐蝕、良好的隔熱性能、耐高溫和使用壽命長等優(yōu)點,是一種新型綠色功能材料。多孔陶瓷可用作高溫氣體凈化器、熔融金屬過濾器,用于高溫、化學腐蝕的使用環(huán)境下,以及作為物理分離用隔板,處理化工廠廢物和汽車尾氣的催化劑載體。它們可用作耐火材料、隔熱材料、傳感器、熱敏電阻和多孔壓電陶瓷、熱交換器等。用于天線罩等航天透波材料。此外,它們在生物醫(yī)用領域也具有潛在的應用前景?？傊?多孔陶瓷的應用已遍及冶金、化工、能源、環(huán)保、生物等多個領域,引起了全球材料學科的高度關注[13]。根據(jù)使用目的和對材料性能要求的不同,人們已經發(fā)展了多種多孔陶瓷的制造工藝,常用的有“有機泡沫浸漬高溫處理法”、“發(fā)泡法”、“添加造孔劑發(fā)”、“固態(tài)燒結法”、“溶膠凝膠法”、“凝膠注模法”、“冷凍干燥法”、“模板法”等等[14]。 鑒于這一領域的敏感性，自80年代中期以后研究工作技術和相關技術一直嚴格保密。作為減重效率最高的結構氮化硅材料-多孔氮化硅材料，我國不少學者進行了不少研究，但是關于氮化硅復合材料的研究剛剛起步，組成成分以及孔隙率對其力學性能以及電氣性能的影響沒有系統(tǒng)的研究成果，相關論文等各種研究報告還極少。國內大多學者相關研究文獻提到孔隙會降低機械強度，而在某種程度上，孔隙可以提高氮化硅的應變延遲以及斷裂延伸率，提高氮化硅陶瓷的韌性。而孔隙及孔徑分布對其性能影響更沒有研究。多孔氮化硅復合材料材料組成體系的理論設計與試驗設計相關研究很少，尚處于摸索階段，受國內外相關研究資料較少的影響，這方面我國的研究一直處于相對落后地位，這方面的國內報道幾乎沒有。多孔氮化硅陶瓷及其復合材料應用領域拓展不夠清楚，許多研究單位以及學者多把研究重點放在軍工領域，而其它領域的應用研究尚處空白。這方面的研究有待進一步加強。多孔氮化硅陶瓷介電常數(shù)預測及其性能影響規(guī)律認識不夠完全，其理論工作與試驗工作的研究都很少。 本文所研制的多孔氮化硅陶瓷兼具氮化硅陶瓷與多孔材料的性質,既具有氮化硅陶瓷的強度高、韌性好、抗蠕變性好、結構穩(wěn)定性好、抗雨蝕、抗熱沖擊性能優(yōu)良等優(yōu)點,也具有多孔材料密度小,介電常數(shù)和介電損耗小等特性，其介電常數(shù)ε=2.5～8、介電損耗tgδ<3×10-3，而且具有足夠的機械強度，耐雨蝕、沙蝕性能良好，可耐1600℃的高溫。其燒結溫度低，且具有可設計性，氣孔尺寸小，具有很好的隔熱效果。 二、實驗方案和方法： 1.利用溶膠-凝膠法，將原料正硅酸乙酯、乙醇、水、氮化硅、氧化鋁、氧化鎂和二甲基甲酰胺混合，調節(jié)PH最后成為凝膠。 2.利用冷凍干燥法，使凝膠干燥，并形成定向氣孔。 3.在1200℃下燒結。 4.對性能進行測試，XRD、SEM、導熱率、氣孔率等。 三、性能分析： 通過SEM圖，可以觀測到同時有宏觀氣孔和微觀氣孔，微觀氣孔尺寸可以達到納米級，體積在50%以上。 對熱導系數(shù)的測定，得到結果為0.08~0.1W/m?K，這一結果已經是絕熱級別。 氣孔率的測定最后所得63%~82%，密度0.4~0.6g/cm3。 四、應用領域和效益分析： 本品主要應用于航空航天領域，主要是朝向天線罩方向設計。不過此外也可用于火箭噴嘴、喉襯和其他高溫耐熱結構部件，防火材料，氣體燃燒器的燒嘴，高溫膜反應器，混合氣體分離器，制造業(yè)中的散氣隔板，流態(tài)化隔板和電解液隔板，水質處理，生物制藥的超濾提純，生物發(fā)酵器和反應器以及石油行業(yè)的廢油純化和渣油脫瀝青等。 經濟效益分析： 由于該項目技術更新比較快，因此，假設項目持續(xù)期為三年，每年的凈利潤率為30%，30%，20%。 （1） 投資效益分析 投資利潤率=生產年平均利潤/總投資*100%=2960/1000=296% （2）投資回收期 投資回收期=1000/2400=0.42年 （3）盈利能力分析 凈現(xiàn)值NPV30%=3298萬元 內部收益率IRR= 262% 以上數(shù)據(jù)表明，該項目經濟效益良好。 社會效益分析 本項目成功實施后，除了能創(chuàng)造更多的產值和利潤，而且可以協(xié)助除去電爐、燃氣爐及燃油爐等的燃料排出煙塵、氮氧、硫氧等有害物質氣體，達到節(jié)能環(huán)保的最終目的?？蔀樯鐣?chuàng)造出可觀的經濟效益和社會效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的： 透波隔熱功能一體化材料主要應用于航空航天領域，保護飛行器在惡劣環(huán)境條件下通訊、遙測、制導、引爆等系統(tǒng)能正常工作，隨著航空航天飛行器飛行馬赫數(shù)不斷提高，處于飛行器氣動力和氣動熱最大最高位置的罩體材料需承受的溫度和熱沖擊也越來越高。從而需要研制具有耐高溫、抗燒蝕、承載、透波和隔熱等性能的新型多功能透波材料。 基本思路： 本項目主要以SiO2-Si3N4為研究對象，通過材料設計和不同原料配比組成，結合溶膠-凝膠工藝和冷凍干燥工藝，以Al2O3和MgO為燒結助劑在較低的燒結溫度下制備氮化硅基透波隔熱功能一體化復合陶瓷材料。 創(chuàng)新點： 1、結合溶膠-凝膠工藝和冷凍干燥工藝，制備出同時含有宏觀氣孔和微觀氣孔的復合孔結構的氮化硅基復合材料。 2、以Al2O3和MgO為燒結助劑在1200℃的燒結溫度下，成功制備出氣孔率高，強度和抗熱震性能優(yōu)越的氮化硅基復合材料。 3、以溶膠-凝膠工藝在Si3N4基體中引入SiO2 ，形成可控多孔結構，一方面保證兩相材料的混合均勻性，同時可以調整材料配比，彌補Si3N4的介電性能不足。 技術關鍵： 1、如何保證Si3N4均勻的分散在硅溶膠中，同時保證不破壞硅溶膠的交聯(lián)特性，順利實現(xiàn)膠凝。 2、如何制定合理的干燥工藝制度，使之既能順利脫水，又能不破壞凝膠的結構，得到完整的塊體材料。 3、如何制定合理的燒結工藝，在較低的燒結溫度下制備具有一定強度和韌性的Si3N4復合陶瓷材料。 主要技術指標： 介電性能；熱性能；力學性能
科學性、先進性
- 目前多孔氮化硅陶瓷的坯體制備工藝主要有添加造孔劑，炭熱還原，模板法等工藝，成品成型均需超高溫，其氮化成型過程復雜，不易控制，使制品成型有一定的難度，大尺寸的成品很少。氮化硅陶瓷本身強度很高，卻具有很大的脆性，硬度較大，加工相對困難，這抑制了其應用領域。多孔氮化硅材料及其復合材料的制備研究剛剛起步，組成成分以及孔隙率對其力學性能以及電氣性能的影響沒有系統(tǒng)的研究成果。國內大多學者相關研究文獻提到孔隙會降低機械強度，而在某種程度上，孔隙可以提高氮化硅的應變延遲以及斷裂延伸率，提高氮化硅陶瓷的韌性。而孔隙及孔徑分布對其性能影響更沒有研究。多孔氮化硅陶瓷介電常數(shù)預測及其性能影響規(guī)律認識不夠完全，其理論工作與試驗工作的研究都很少。 該項目開發(fā)出一種高氣孔率的氮化硅基復合材料，其介電常數(shù)ε=2.5～8、介電損耗tgδ<3×10-3，而且具有足夠的機械強度，耐雨蝕、沙蝕性能良好，可耐1200℃的高溫。其燒結溫度低，且具有可設計性，氣孔尺寸小，具有很好的隔熱效果。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 轉讓使用權
作品可展示的形式
- 實物、產品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 1、 技術特點和優(yōu)勢 該項目開發(fā)出一種高氣孔率的氮化硅基復合材料，其介電常數(shù)ε=2.5～8、介電損耗tgδ<3×10-3，而且具有足夠的機械強度，耐雨蝕、沙蝕性能良好，可耐1200℃的高溫。是一類性能優(yōu)越的耐高溫透波功能材料，它不僅符合當前的結構－防熱－微波透波一體化功能材料研究的重點方向，又是替代現(xiàn)有單一多孔材料的理想材料。 2、 應用領域 該多孔陶瓷還可用作防火材料，氣體燃燒器的燒嘴，高溫膜反應器，混合氣體分離器，制造業(yè)中的散氣隔板，流態(tài)化隔板和電解液隔板等。 3、 經濟效益分析 由于該項目技術更新比較快，因此，假設項目持續(xù)期為三年，每年的凈利潤率為30%，30%，20%。 （1）投資效益分析 投資利潤率=生產年平均利潤/總投資*100%=2960/1000=296% （2）投資回收期 投資回收期=1000/2400=0.42年 （3）盈利能力分析 凈現(xiàn)值NPV30%=3298萬元 內部收益率IRR= 262% 以上數(shù)據(jù)表明，該項目經濟效益良好。
同類課題研究水平概述
- 透波材料的研究始于20世紀50 年代初，目前已開發(fā)出多種透波材料體系，主要分為有機透波材料和無機透波材料兩大類，即高分子透波材料和陶瓷透波材料。而從根本上講，高分子透波材料使用溫度低（最高在500 ℃以下），難以滿足高馬赫數(shù)高性能導彈的使用要求，因此國內外大力開發(fā)無機陶瓷透波材料，以保證高溫下各種性能的正常發(fā)揮[1]。 多孔陶瓷是一種新型的陶瓷材料，是一種經高溫燒成、體內有大量彼此相通或閉合氣孔的陶瓷材料。由于它具有微孔或孔洞分布均勻、空隙率較高、體積密度小，比表面積大及獨特的表面物理特性，對液體和氣體介質有選擇的透過性，且具有能量吸收好阻尼特性，加之陶瓷材料特有的耐高溫、耐腐蝕、耐熱沖擊、高的化學穩(wěn)定性，使多孔陶瓷這一綠色材料可以在過濾、吸聲減震、高級保溫材料和傳感器材料等多方面得到廣泛的應用。 多孔氮化硅材料兼具這兩種材料的特性，以之作為基體可以獲得良好的適用的性能。 以色列軍方研制出一種由多孔氮化硅作為內芯外加一層高密度的氮化硅天線罩材料，其介電常數(shù)?=2.5～8，而且具有足夠的機械強度，耐雨蝕、燒蝕性能良好，可耐1600℃的高溫。美國波音宇航公司利用反應燒結Si3N4的密度可控性，研制了輕質透波材料。美國 Boeing Aero space公司利用反應燒結氮化硅制備了多倍頻寬帶天線罩。罩壁結構分為兩層，內層較厚，為低密度(0.6～1.8 g/cm3)氮化硅；表層較薄，為高密度氮化硅材料。天津大學以納米氮化硅粉體為主要原料，選用堇青石和鋰輝石作為燒結助劑，在1550℃的溫度下制備出了介電常數(shù)4-5，介電損耗為0.005～0.007，彎曲強度為160MPa的天線罩材料[2-3]。 目前，多孔氮化硅的制備方法很多，按有無造孔劑，多孔氮化硅陶瓷材料的制備方法大致可分為使用造孔劑和不使用造孔劑燒結兩大類。常用的燒結法制備多孔氮化硅陶瓷有無壓燒結法、流延法、凝膠注模法、硅粉氮化法、以及碳熱還原法等。 [1]閆聯(lián)生, 李賀軍, 崔紅,高溫陶瓷透波材料研究進展. 宇航材料工藝, 2004, 3:14-16. [2]賈玲, 谷景華, 張凡偉,大氣中燒結多孔氮化硅的相變和氧化機理研究. 功能材料, 2007, 38:3843-3845. [3]陜紹云, 王亞明, 賈慶明,多孔氮化硅陶瓷的研究進展. 硅酸鹽通報, 2009, 1: 138-142.
