氧化锆增韧石英陶瓷透波材料的研究

韩龙 梁慧

摘 要：主要研究了通过添加微米级氧化锆来提高石英陶瓷材料的抗弯强度。结果表明，当添加5Wt%的氧化锆时，石英陶瓷的力学性能明显改善，抗弯强度由36.53MPa增至58.95MPa，气孔率下降，而且没有引起石英陶瓷的大量析晶 。对引起这种变化的原因进行了分析，并用SEM对材料的微观形貌进行观察，用压汞仪测试材料的气孔率，用X射线衍射对材料的成份进行定性分析。

关键词：石英陶瓷;氧化锆增韧;力学性能;介电性能

1 前 言

石英陶瓷材料具有优良的介电、热学和力学等综合性能，是目前导弹天线罩的主要应用材料[1]。

材料的介电性能（介电常数和损耗角正切）直接影响天线罩的电性能，是选择材料的主要依据[2]。 损耗角正切（tgδ）越大，电磁波能量在透过天线罩过程中转化为热量而损耗掉的能量就越多。介电常数（ε）越，则电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大，这将增加镜像波瓣电平并降低传输效率。因此，要求天线罩材料的损耗角正切低至接近于零，介电常数尽可能低，以达到“最大传输”和“最小反射”的目的[3]。低介电常数的材料还能给天线罩带来宽频带响应，允许放宽壁厚公差，从而降低制造成本[4]。

一般来说，透波材料的适宜相对介电常数值为1～4，损耗角正切值为10-1～10-3。石英陶瓷材料具有优良的介电性能、低介电常数、低膨胀系数、优良的抗热震性能及成本低廉等优点成为研制导弹天线罩的首选材料（国内先进型号导弹的天线罩采用石英陶瓷作为天线罩材料[5]）

随着新型号天线罩的不断研制和开发，对石英陶瓷材料的要求越来越高，近年来科学家们受先进陶瓷进展的启发，开始探索玻璃陶瓷的强化增韧来克服石英陶瓷室温强度低的缺点[6]。本文受氧化锆增韧陶瓷的启发，用微米氧化锆来强化增韧石英陶瓷，并加入纳米二氧化硅起到的纳米效应，在玻璃陶瓷的强化增韧方面做些初步的探索，以求在天线罩材料的研制上取得进展。

2 实验

2.1 原料与配方

实验原料见表1

2.2 实验过程

按表2的实验配方称料，在尼龙罐中混料20min，转速为250r/min，烘干后，用PVA做粘结剂造粒，陈腐24h，在100MPa下压制成尺寸为40mm×40mm×h（8～10）mm的试样，置于硅碳棒程控电炉中，以5 ℃/min 的升温速度，在1200℃烧结，保温10min后，自然降温。

3.结果与讨论

3.1 强度测试及分析

将试样切成2.5mm×5mm×25mm试条，在美国Instron 5569型电子万能材料试验机上测三点弯曲强度，压头位移速度为0.5 mm/min，最终结果取平均值，如图1。

从图1可以看出在烧结温度均为1200℃时，ZrO2含量在5%时达到了最高值;再提高ZrO2含量反而会使强度有所降低，其原因在于ZrO2的加入使得坯体更难于烧结，致密度下降，气孔率提高。

3.2介电性能测试及分析

利用NETZSCH 固化监测仪测试样品的介电常数及介质损耗。

测试过程中，样品被置于两个电极（介电传感器）之间，在一侧电极上施加正弦的激发电压，使材料中的偶极子在电场中取向，离子移向不同极性的电极。在另一侧电极则测量得到的正弦感应信号。由于感应信号的相位变化和振幅衰减与材料中离子移动性和偶极子取向有关，由此可以计算出材料的

介电常数和损耗因子。結果见图2 。

由图2看出，ZrO2的含量的逐渐增加，材料的介电常数呈下降趋势，这是因为引入的ZrO2材料的介电常数明显比石英陶瓷的大，ZrO2的含量越高，材料整体的介电常数越高，所以，ZrO2的加入量不宜过高。

3.3 微观形貌分析

用日本日立公司的（SEM）S-2500扫描电镜型研究试样的微观形貌。

由图3看出，不添加ZrO2时，陶瓷的结构不太致密，有大晶粒生成，对强度影响很大。含5%ZrO2的石英陶瓷结构致密，并有玻璃相起到连通作用，对于石英陶瓷这种材料，这样的结构对强度的增加是很有利的。含10% ZrO2的材料结构很致密。含15% ZrO2的材料结构疏松，颗粒大小不均匀。含20% ZrO2的材料结构疏松，致密度很差，气孔率高。

3.4孔隙度测试分析

测试采用美国的的Poremaster-60型全自动孔隙度分析仪（压汞仪）。测试结果见图4。

可见，孔隙度的测试值与抗弯强度呈对应关系，孔隙度越高，强度越低。气孔增多，材料的致密度必然下降。由微观形貌也可以看出，颗粒均匀，排列紧密的材料，气孔率下，强度值高。

3.5 材料的X射线分析

测试采用D/Max-rA型X射线衍射仪。

由图5可以看出，五种配比的石英陶瓷都没有SiO2晶体，析晶不明显，说明适当的加入ZrO2，不会引起石英陶瓷的大量析晶，因而对强度只能增强，不会因析晶导致强度下降。

4.结论

（1）总SiO2（其中微粉80% +粗粉10% +纳粉10% ）含量占95%、ZrO2+ Y2O3（ 97.2mol% ZrO2+2.8mol% Y2O3 ）的总含量占5%时抗弯强度最佳。                                                                               （2）在1200 ℃的温度下烧结时ZrO2含量在5%时有明显的增韧效果，弯曲强度从抗弯强度由36.53MPa增至58.95MPa。

（3）ZrO2的加入并没有引起石英陶瓷的大量析晶。

（4）ZrO2含量5%时石英陶瓷的介电常数为3.11，损耗角正切为0.00994。依据透波材料的适宜条件，能够满足透波材料的需要。

参考文献

[1]雷景轩，邬浩，赵中坚.石英陶瓷天线罩材料研究进展[J].中国陶瓷，2020，56（04）：7-12.

[2]蔡德龙，陈斐，何凤梅，贾德昌，匡宁，苗蕾，邱海鹏，王洪升，徐念喜，杨治华，于长清，张俊武，张伟儒，周延春.高温透波陶瓷材料研究进展[J].现代技术陶瓷，2019，40（Z1）：4-120.

[3]崔雪峰，李建平，李明星，周杰，李鑫，成来飞，刘永胜，叶昉.氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展[J].航空材料学报，2020，40（01）：21-34.

[4]J.D.Walton. Radome Engineering Handbook. New York：MARCEL DEKKER，INC. 1970.

[5]田共有.一种石英陶瓷天线罩材料力学特性研究[J].陶瓷学报，2019，40（01）：46-50.

[6]张会芳，卜景龙，申书斌，陈越军，张璞.Ho2O3-Y2O3对熔融石英晶化性能的影响[J].中国陶瓷，2015，51（07）：12-15.