一种三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料及其制备方法

本发明涉及承载吸波型陶瓷基复合材料，具体涉及一种三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着全方位、全天候、多波段雷达探测技术的迅速发展，迫切需要提高隐身飞行器的飞行速度和隐身能力。发动机尾喷部件作为隐身战机重要的雷达散射源，由于其服役温度高，亟需在外形隐身设计的基础上采用高温雷达吸波材料来提高发动机尾喷构件的隐身性能。陶瓷材料具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高强度、高模量、密度低、介电常数低等优异性能，是发动机尾喷部件用关键热结构材料。然而，陶瓷材料的脆性特点使其在承载时易发生灾难性破坏，通过采用连续纤维增韧陶瓷制备的陶瓷基复合材料(cmc)可有效改善陶瓷的力学性能。cmc由纤维预制体、界面和基体组成，通过合理设计纤维预制体结构(周期结构)、有效调控界面和基体的电性能，进而提高cmc的宽频吸波性能。目前，为了提高cmc的高温宽频吸波性能，多采用多层阻抗匹配设计和表面周期性结构设计。

2、现有技术“专利号为cn112939619b、专利名称为：一种电梯度分布碳化硅纤维增强陶瓷基超宽频吸波复合材料及其制备方法”公开了一种电梯度分布碳化硅纤维增强陶瓷基超宽频吸波复合材料，依次包括第一高阻碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料层、第一有耗碳化硅纤维阵列增强陶瓷基复合材料层、第二高阻碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料层、第二有耗碳化硅纤维阵列增强陶瓷基复合材料层、第三高阻碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料层、第三有耗碳化硅纤维阵列增强陶瓷基复合材料层、第四高阻碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料层；有耗碳化硅纤维阵列为呈现周期性阵列排布的二维纤维布贴片单元组成，周期单元大小相同，贴片大小依次增大，方阻依次减小；该技术在3～40ghz波段获得了优异的吸波性能。

3、现有技术“专利号为cn115190756a、专利名称为：一种三维点阵结构高温吸波材料及其制备方法”公开了一种三维点阵结构高温吸波材料，吸波材料自下而上，依次包括连续纤维增强陶瓷基复合材料下面板、三维损耗型连续碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料点阵结构、高阻型连续碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料面板组成。该技术中的三维点阵结构高温吸波材料，具有优异的宽频吸波性能，吸波频段覆盖1～18ghz。

4、尽管现有技术中多层设计及表面周期性结构虽然可有效提高材料的宽频吸波性能，但对介质层和吸收层的电性能要求高，需严格控制各层的厚度和电性能，且吸收层和介质层的组合会影响复合材料层间结合性和整体性。

5、因此，一种能解决传统陶瓷基复合材料(cmc)吸波频带窄且cmc中周期结构吸波单元成型难具有重要的学术研究与应用需求价值。

技术实现思路

1、为了解决现有传统陶瓷基复合材料吸波频带窄且cmc中周期结构吸波单元成型难度大的问题，本发明的目的之一是提供一种三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料，包括介质层，原位成型于介质层上的周期结构吸波单元，以及填充于介质层和周期结构吸波单元的缝隙中的陶瓷基体；其中，周期结构吸波单元由导电纤维堆叠形成且呈三维棱柱状。

4、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

5、进一步，介质层为介电常数≤6的连续陶瓷纤维，陶瓷基体为介电常数小于10的陶瓷基体，导电纤维的导电率为103～106s/m。优选地，本发明中的连续陶瓷纤维主要是指介电常数≤6的具有中低损耗连续陶瓷纤维；陶瓷基体主要是指介电常数小于10的中低损耗陶瓷基体。

6、进一步，连续陶瓷纤维包括al2o3纤维、si3n4纤维、sio2纤维、莫来石纤维和sic纤维中至少一种。

7、进一步，陶瓷基体包括sioc、si3n4、sicn、sibcn、sio2和al2o3中的至少一种。

8、进一步，导电纤维包括碳纤维或碳化硅纤维。

9、进一步，陶瓷基复合材料的气孔率小于10％。

10、本发明的目的之二是提供一种三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤1、采用电磁模拟软件模拟出介质层的厚度，以及周期结构吸波单元的尺寸及分布；

12、步骤2、根据步骤1的模拟将介质层剪成所需尺寸后进行氧化处理，去除介质层表面上的浆剂；

13、步骤3、根据步骤1中模拟周期结构吸波单元的尺寸及分布将导电纤维原位成型于介质层上，制得含三维棱柱周期结构吸波单元的纤维预制体；

14、步骤4、采用化学气相渗透工艺和/或聚合物浸渍裂解工艺在步骤3所得的纤维预制体中制备陶瓷基体，重复步骤4直至最终获得的陶瓷基复合材料的气孔率小于10％。

15、进一步，化学气相渗透工艺包括以下步骤：将纤维预制体或经聚合物浸渍裂解工艺处理后的纤维预制体置于沉积炉中，抽真空至压力＜300pa，然后在800～1100℃条件下往沉积炉中通入稀释气体和反应气体，经化学反应生成陶瓷基体；其中，稀释气体包括氩气或氢气，反应气体包括四氯化硅和氨气。

16、进一步，聚合物浸渍裂解工艺包括以下步骤：首先将陶瓷先驱体溶解于有机溶剂中形成混合物，将纤维预制体或经化学气相渗透工艺处理后的纤维预制体进入混合物中，然后在真空或加压至0.8～1mpa的条件下持续0.5～1h，最后在惰性氛围中依次进行固化和裂解制得陶瓷基体；

17、有机溶剂包括二甲苯或甲苯，陶瓷先躯体包括聚硅氧烷、聚硅氮烷和聚硅硼氮烷中的任意一种，惰性氛围为氮气或氩气，固化条件为200～300℃固化1～2h，裂解条件为800～1000℃裂解2～3h。

18、进一步，步骤2中氧化处理的条件为：500～600℃的空气中热处理5h～6h。

19、本发明具有以下有益效果：

20、1、本发明提出了在一定厚度的中低损耗陶瓷纤维布(介质层)上原位成型三维棱柱周期结构吸波单元，并在介质层和周期结构吸波单元的缝隙中填充陶瓷基体，最终获得气孔率小于10％的三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料；本发明中具有三维棱柱周期结构的陶瓷基复合材料有效提高陶瓷基复合材料在4～18ghz超宽频吸波性能，解决了陶瓷基复合材料低频和宽频吸波的瓶颈难题；并且根据后续测试分析可知，本发明中的三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料具有较小的反射系数，其在4～18ghz范围的吸收带宽几乎低于-5db。

21、此外，本发明中的三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料能够在保持其力学性能的前提下，在较宽频率范围内有效衰减电磁波，且在较薄厚度条件下对cmc的宽频吸波性能提升明显，为航空航天用高温承载宽频吸波陶瓷基复合材料的一体化设计与制备提供新思路。

22、2、本发明中提出采用导电纤维束在中低损耗陶瓷纤维布上原位成型离散周期结构吸波单元，通过化学气相渗透工艺(cvi)和/或聚合物浸渍裂解工艺(pip)工艺制备均匀致密的界面和基体，协同保护了纤维原有的结构以及纤维原有结构的完整性，进而提高陶瓷基复合材料的吸波和力学性能，解决了陶瓷基复合材料承载与雷达隐身难以兼容的难题。

23、3、本发明提出采用高温电性能和热性能稳定的导电纤维(例如碳纤维)制成离散周期结构吸波单元(即，周期结构吸波单元在介质层上非连续且不重合排列)，同时均匀致密的界面和基体(即陶瓷基体)对纤维形成保护；因此，本发明中避免了导电纤维的电导率会随温度的升高而变大，进而导致陶瓷基复合材料的电性能过高，最终导致吸波性能下降的问题；可见，本发明实现陶瓷基复合材料在室/高温协同吸波，解决了陶瓷基复合材料高温吸波性能衰减的难题。

24、4、本发明的三维棱柱周期结构吸波材料采用导电纤维作为离散周期结构吸波单元，具有可设计性强、形式多样、易于成型、对增强体纤维布无损伤等优势，可在厚度较薄的条件下实现低频、宽频吸波陶瓷基复合材料一体化制备，解决了现有技术中宽频吸波cmc中周期吸波结构成型难度大的问题。

25、5、本发明中的三维棱柱周期结构吸波陶瓷基复合材料中离散周期结构吸波单元成型工艺简单、制备周期短、吸波频段宽、力学性能优异，是一种非常有潜力的宽频吸波陶瓷基复合材料。