一种ZnO-C/Al2SiO5低密度高损耗复相吸波陶瓷及其制备方法与流程

文档序号:25544026发布日期:2021-06-18 20:42
一种ZnO-C/Al2SiO5低密度高损耗复相吸波陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于吸波材料领域,具体涉及一种zno-c/al2sio5低密度高损耗复相吸波陶瓷及其制备方法。



背景技术:

吸波材料应具备“轻、薄、宽、强”的性能特点,具备低密度、强损耗特征的吸波材料具有重要的应用前景。为降低吸波材料的密度,采用低密度刚性莫来石(al2sio5)纤维多孔陶瓷作为基体,在其内部引入高损耗吸波剂获得复相陶瓷吸波材料。纤维多孔陶瓷基体具有密度低、低介电损耗的特点,形状和结构稳定,且隔热性能优异。al2sio5纤维多孔陶瓷材料化学稳定性较好,适合用作透波基体,在其基础上引入吸波剂以获得吸波功能,且保持较低的密度,这在民用和国防领域都具有重要的应用潜力。

半导体氧化物通常具备良好的介电损耗性能。氧化锌(zno)的介电常数和介电损耗受结构缺陷、微观形貌、元素掺杂等因素影响可在较大范围内调节,其作为吸波剂具有较大的潜力,但不足之处在于zno电导率相对较低,电导损耗能力有待提高,因此采用单一的zno等介电型氧化物作为吸波剂时,通常会面临介电常数虚部较低、介电损耗能力不足。碳(c)材料作为电导损耗型吸波材料受到广泛关注。c材料的电导率受显微结构、晶化程度等因素影响可以在很宽的范围内调控,而电导率又对介电常数虚部有直接且显著的影响,所以引入c材料与zno复合,通过zno来调节复合材料的介电常数实部,通过c调节介电常数虚部,最终通过调控zno和c两相成分比例、热处理温度等实现对复合材料介电常数实部和虚部的精确调控,以满足吸波材料对介电损耗的需求,从而实现对电磁波的强吸收衰减。所选用的al2sio5纤维多孔陶瓷基体由al2sio5纤维及粘结剂经高温烧结而成,密度0.3g/cm3,气孔率大于90%,具有低密度、结构稳定、耐高温的优点。将高损耗zno、c材料引入al2sio5多孔陶瓷基体内,可获得低密度、高损耗吸波材料。

现有的吸波材料的制备方法通常采用涂刷工艺将吸波剂混合到粘结剂中,经涂覆工艺获得吸波涂层,制备工艺复杂,制备周期较长,增大了材料本身的重量,且涂层在严苛的热环境下易脱落,使得这一类吸波材料的应用受到限制,且吸波性能有待于进一步提高。



技术实现要素:

本发明的目的是要提供一种zno-c/al2sio5低密度高损耗复相吸波陶瓷及其制备方法及其制备方法,选用多孔al2sio5刚性纤维板为透波载体,c、zno材料作为吸波剂,采用浸渍裂解法将c、zno材料均匀负载在多孔al2sio5陶瓷基体内,不但可以赋予其较强的吸波性能,而且可以保持较低的密度,从而实现低密度、高损耗吸波性能。

为了达到上述目的,本发明提供以下技术方案:

一种zno-c/al2sio5低密度、高损耗复相吸波陶瓷,包括al2sio5陶瓷纤维板,在al2sio5陶瓷纤维板中的纤维表面及内部孔隙均匀填充有c、zno两相颗粒。

所述zno-c/al2sio5低密度高损耗复相吸波陶瓷的密度≤0.6g/cm3

所述zno-c/al2sio5低密度高损耗复相吸波陶瓷的介电损耗正切在0~1.8之间进行调控。

一种zno-c/al2sio5低密度、高损耗复相吸波陶瓷的制备方法,采用溶液浸渍法,将配置的葡萄糖-醋酸锌溶液通过浸渍过程引入多孔al2sio5陶瓷纤维板中,经过热处理将醋酸锌转化为zno,葡萄糖转化为热解碳,均匀填充在al2sio5陶瓷基体内部,经多次浸渍、热处理,提高zno、c在复相陶瓷中的质量分数至10~50%,再经过还原性气氛热处理调控zno、c两相的显微结构和晶化程度,制得一种zno-c/al2sio5低密度、高损耗复相吸波陶瓷。

具体包括以下步骤:

步骤一、制备葡萄糖-醋酸锌复合溶液,葡萄糖在溶液中的浓度为0.05g/ml,醋酸锌在溶液中的浓度为0.05~0.2g/ml;

步骤二、将多孔al2sio5陶瓷纤维板浸渍到步骤一制得的溶液中10~30min制备成预制体,所述预制体为在葡萄糖、醋酸锌溶液中浸泡后的al2sio5陶瓷纤维板;将预制体干燥后进行热处理,得到一次浸渍后的zno-c/al2sio5复相陶瓷坯体;

步骤三、重复步骤二多次,提高zno、c在复相陶瓷中的质量分数至10~50%,得到反复浸渍后的zno-c/al2sio5复相陶瓷坯体;

步骤四、将步骤三得到的反复浸渍后的zno-c/al2sio5复相陶瓷坯体放置到气氛保护热处理炉中进行热处理,制备出zno-c/al2sio5低密度高损耗复相吸波陶瓷。

步骤一中,所述葡萄糖-醋酸锌复合溶液的制备方法为:葡萄糖、醋酸锌的摩尔比为1:1~1:4,将葡萄糖、醋酸锌按照摩尔比混合均匀后加入去离子水搅拌溶解,将混合溶液在60℃条件下经磁力搅拌1h,获得葡萄糖-醋酸锌复合溶液;

步骤二中,所述多孔al2sio5陶瓷纤维板是由al2sio5纤维和粘结剂经过高温烧结而成,其密度为0.3g/cm3,气孔率大于90%。

步骤二中,所述多孔al2sio5陶瓷纤维板采用真空浸渍或压力浸渍,浸渍条件为在真空度小于50pa的环境下,或压力为1~5mpa的环境下。

步骤二中,所述预制体干燥温度为100℃,干燥时间为0.5h,热处理过程为将干燥的预制体放置于马弗炉中,热处理温度为200~400℃,热处理时间为0.5~2h,热处理过程需ar气氛保护。

步骤四中,所述热处理条件为:通入气体为氢气/氩气或氢气/氮气的混合气体,氢气体积分数为5~20%,热处理温度为600~700℃,热处理时间为1~3h。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:

本发明公开了一种zno-c/al2sio5低密度、高损耗复相吸波陶瓷,该zno-c/al2sio5复相陶瓷密度低、介电损耗能力强。

本发明所制备的zno-c/al2sio5低密度、高损耗复相吸波陶瓷,通过调节c、zno两相比例可调控材料的介电常数和介电损耗,所制的zno-c/al2sio5复相陶瓷对电磁波具有可控的介电损耗性能。

本发明采用浸渍法将葡萄糖-醋酸锌复合溶液引入到多孔al2sio5陶瓷内部,经热解转化为zno-c/al2sio5复相陶瓷,吸波剂能够均匀分散在陶瓷基体内,有利于避免成分偏析造成电磁反射。

本发明选用的多孔al2sio5陶瓷纤维板作为基体材料,具有耐高温、低密度、结构稳定的特点,制备过程中al2sio5陶瓷纤维板基体的形状、尺寸保持不变,最终制得zno-c/al2sio5复相陶瓷的密度≤0.6g/cm3,复相陶瓷保持较低的密度。

本发明制备方法工艺步骤简单、周期短、易于操作、重复性好。

附图说明

图1为本发明方法实施例1所制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷材料的扫描电镜照片;

图2为本发明方法实施例1所制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷材料的xrd谱图。

图3为本发明方法实施例1所制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷材料的raman光谱图。

图4为本发明方法实施例1所制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷材料的介电性能曲线。

图5为本发明方法实施例3所制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷材料的介电性能曲线。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式包括但不限于以下实施例表示的范围。

本发明公开了一种多孔zno-c/al2sio5低密度高损耗复相吸波陶瓷;所述多孔zno-c/al2sio5复相陶瓷以多孔al2sio5陶瓷纤维板为透波基体,在al2sio5陶瓷纤维板的内部孔隙均匀填充c、zno两相颗粒;该复相陶瓷密度≤0.6g/cm3,具有较强的损耗性能和优异的吸波性能,该材料的制备方法具体包括以下步骤:

1)将葡萄糖、醋酸锌按摩尔比混合均匀后加入去离子水搅拌溶解,将混合溶液在60℃条件下经磁力搅拌1h,获得葡萄糖-醋酸锌复合溶液,葡萄糖、醋酸锌的摩尔比在1:1~1:4之间,葡萄糖在溶液中的浓度为0.05g/ml,醋酸锌在溶液中的浓度为0.05~0.2g/ml;

2)将多孔al2sio5陶瓷纤维板经清洗、干燥后,采用真空浸渍方法浸渍到步骤1)中的溶液中,真空浸渍或压力浸渍10~30min制备成预制体,浸渍过程中为在真空度小于50pa的环境下,或压力为1-5mpa的环境下,所述预制体为在葡萄糖、醋酸锌溶液中浸泡后的al2sio5陶瓷纤维板;将预制体干燥后进行热处理,干燥温度为100℃,干燥时间为0.5h,热处理过程为将干燥的预制体放置于马弗炉中,热处理温度为200~400℃,热处理时间为0.5~2h,热处理期间的升温速度为10℃/min,通过热处理使得陶瓷纤维板中内部的葡萄糖、醋酸锌转化成c、zno,得到一次浸渍后的zno-c/al2sio5复相陶瓷坯体,浸渍和干燥过程无需保护气氛,在空气环境中进行,热处理过程需ar气氛保护;该步骤中的al2sio5陶瓷纤维板由al2sio5纤维和粘结剂经过高温烧结而成,密度0.3g/cm3,气孔率大于90%。

3)c、zno两相在zno-c/al2sio5复相陶瓷中的质量分数随着步骤(2)重复次数的增大而增大,每次测量的复相陶瓷中c、zno含量由步骤(2)的重复次数及葡萄糖-醋酸锌原料比例确定,该含量范围为10~50wt%。通过该重复步骤(2)多次,使得陶瓷纤维板中的c、zno达到所需含量,进而使得复相陶瓷具有优异的吸波性能。

4)将经过步骤3)多次浸渍后获得的复相陶瓷坯体放置到气氛保护热处理炉中进行热处理,通入气体为氢气/氩气(或氮气)混合气体,氢气含量为5~20%,热处理温度为600~700℃,热处理时间为1~3h,得到zno-c/al2sio5低密度高损耗复相吸波陶瓷。

实施例1

1)将葡萄糖、醋酸锌按照1:1摩尔比混合均匀后加入去离子水搅拌溶解,葡萄糖在溶液中的浓度为0.05g/ml,醋酸锌在溶液中的浓度为0.05g/ml,混合液在60℃条件下经磁力搅拌0.5h,获得葡萄糖-醋酸锌混合溶液;

2)将裁减成所需尺寸的多孔al2sio5陶瓷纤维板浸渍到步骤1)中的溶液中,真空浸渍0.5h,真空度小于50pa,制备成预制体,将制备的预制体在100℃干燥0.5h,之后在300℃热处理0.5h,升温速率为5℃/min,得到一次浸渍的多孔zno-c/al2sio5复相陶瓷坯体,干燥过程无需保护气氛,在空气环境中进行,热处理在ar气氛保护中进行;

3)将步骤2)中复相陶瓷坯体浸渍到步骤1)溶液中,按照步骤2)进行干燥和热处理,以此循环5次;

4)将经过步骤3)多次浸渍后获得的复相陶瓷放置到气氛保护热处理炉中进行热处理,通入气体为氢气/氩气混合气体,氢气含量为20%,流量为25ml/min,升温速率为5℃/min,热处理温度为700℃,热处理时间为2h,得到zno-c/al2sio5复相陶瓷。

图1为本实施例制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷的扫描电镜图,从图中可以看出al2sio5纤维分布其中,纤维间隙内填充的物质为zno、c两相的复合物。

图2为本实施例制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷和al2sio5基体的xrd谱图,从图中可看出al2sio5基体没有明显的衍射峰,说明al2sio5基体由非晶态al2sio5纤维构成,zno-c/al2sio5复相陶瓷的衍射峰与zno相符。由于碳材料的晶化温度非常高,图中并没有c的衍射峰出现。

图3为本实施例制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷的raman光谱图,可以观察到碳材料典型的dband和gband,而zno的raman响应较弱,在图中不明显。

图4为本实施例制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷的介电性能图,从图中可以看出介电常数实部在3.1~3.9之间,虚部在4.9~6.9之间,损耗正切大于1,介电损耗能力较强。

实施例2

1)将葡萄糖、醋酸锌按照1:2摩尔比混合均匀后加入去离子水搅拌溶解,葡萄糖在溶液中的浓度为0.05g/ml,醋酸锌在溶液中的浓度为0.1g/ml,混合液在60℃条件下经磁力搅拌0.5h,获得葡萄糖-醋酸锌混合溶液;

2)将裁减成所需尺寸的多孔al2sio5陶瓷纤维板浸渍到步骤1)中的溶液中,真空浸渍0.5h,真空度小于50pa,制备成预制体,将制备的预制体在100℃干燥0.5h,之后在300℃热处理0.5h,升温速率为5℃/min,得到一次浸渍的多孔zno-c/al2sio5复相陶瓷坯体,干燥过程无需保护气氛,在空气环境中进行,热处理在ar气氛保护中进行;

3)将步骤2)中复相陶瓷坯体浸渍到步骤1)溶液中,按照步骤2)进行干燥和热处理,以此循环5次;

4)将经过步骤3)多次浸渍后获得的复相陶瓷放置到气氛保护热处理炉中进行热处理,通入气体为氢气/氩气混合气体,氢气含量为20%,流量为25ml/min,升温速率为5℃/min,热处理温度为700℃,热处理时间为2h,得到zno-c/al2sio5复相陶瓷。

实施例3

1)将葡萄糖、醋酸锌按照1:3摩尔比混合均匀后加入去离子水搅拌溶解,葡萄糖在溶液中的浓度为0.05g/ml,醋酸锌在溶液中的浓度为0.15g/ml,混合液在60℃条件下经磁力搅拌0.5h,获得葡萄糖-醋酸锌混合溶液;

2)将裁减成所需尺寸的多孔al2sio5陶瓷纤维板浸渍到步骤1)中的溶液中,真空浸渍0.5h,真空度小于50pa,制备成预制体,将制备的预制体在100℃干燥0.5h,之后在300℃热处理0.5h,升温速率为5℃/min,得到一次浸渍的多孔zno-c/al2sio5复相陶瓷坯体,干燥过程无需保护气氛,在空气环境中进行,热处理在ar气氛保护中进行;

3)将步骤2)中复相陶瓷坯体浸渍到步骤1)溶液中,按照步骤2)进行干燥和热处理,以此循环2次;

4)将经过步骤3)多次浸渍后获得的复相陶瓷放置到气氛保护热处理炉中进行热处理,通入气体为氢气/氩气混合气体,氢气含量为20%,流量为25ml/min,升温速率为5℃/min,热处理温度为700℃,热处理时间为2h,得到zno-c/al2sio5复相陶瓷。

图5为本实施例制备的zno-c/al2sio5复相陶瓷的介电性能图,从图中可以看出介电常数实部在1.7~1.9之间,虚部在0.9~1.2之间,损耗正切≈0.5,介电损耗能力适中,有利于满足阻抗匹配要求,吸波性能较好。

实施例4

1)将葡萄糖、醋酸锌按照1:4摩尔比混合均匀后加入去离子水搅拌溶解,葡萄糖在溶液中的浓度为0.05g/ml,醋酸锌在溶液中的浓度为0.2g/ml,混合液在60℃条件下经磁力搅拌0.5h,获得葡萄糖-醋酸锌混合溶液;

2)将裁减成所需尺寸的多孔al2sio5陶瓷纤维板浸渍到步骤1)中的溶液中,真空浸渍0.5h,真空度小于50pa,制备成预制体,将制备的预制体在100℃干燥0.5h,之后在300℃热处理0.5h,升温速率为5℃/min,得到一次浸渍的多孔zno-c/al2sio5复相陶瓷坯体,干燥过程无需保护气氛,在空气环境中进行,热处理在ar气氛保护中进行;

3)将步骤2)中复相陶瓷坯体浸渍到步骤1)溶液中,按照步骤2)进行干燥和热处理,以此循环2次;

4)将经过步骤3)多次浸渍后获得的复相陶瓷放置到气氛保护热处理炉中进行热处理,通入气体为氢气/氩气混合气体,氢气含量为20%,流量为25ml/min,升温速率为5℃/min,热处理温度为600℃,热处理时间为2h,得到zno-c/al2sio5复相陶瓷。

本发明的内容不限于实施例所列举,本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换,均为本发明的权利要求所涵盖。

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