[发明专利]一种氮化硅基复合材料天线窗及其制备方法

说明书

本发明提供了一种氮化硅基复合材料天线窗及其制备方法，根据天线窗的介电常数随厚度的变化规律的要求，确定孔隙率随厚度的变化规律，进而确定制备氮化硅基复合材料的陶瓷浆料固相含量随厚度的变化规律；在3D打印过程中，根据陶瓷浆料固相含量随厚度的变化规律，控制含有陶瓷相的第一浆料和水溶胶的加入质量，逐层打印，获得陶瓷浆料凝胶块，经低温冷冻，真空冷冻干燥，烧结降温后即可获得具有介电梯度的氮化硅基复合材料，经加工制备成氮化硅基复合材料天线窗。本发明所述的氮化硅基复合材料天线窗一体化制备，消除界面应力，在使用中安全可靠，工艺简单，能够满足不同宽频透波的要求。

技术领域

本发明涉及天线窗制备技术领域，特别涉及一种氮化硅基复合材料天线窗及其制备方法。

背景技术

天线窗是保护高超音速飞行器通讯、遥测、制导等系统正常工作的关键部件，既要适应高速飞行过程中的气动热、气动载荷等极端环境，还需要满足飞行器控制回路所提出的苛刻的电气性能要求，因此，必须同时满足耐热、承载、透波、抗热冲击等多种功能要求。近几年，随着高精度制导技术、频率捷变技术与多模工作方式等先进技术的应用，要求天线窗具备宽频透波特性，使制导控制中信号在宽波段范围内具有更好的传输性。氮化硅基复合材料具有良好的抗烧蚀性能、高温力学性能、高温透波性能、抗热冲击等性能，在高超音速飞行器天线窗上具有巨大应用潜力，因此得到十分广泛的研究，然而现有的技术还难以制备具有宽频透波特性的氮化硅基天线窗。

对于氮化硅基透波材料，一般采用半波长的大小来设计天线窗，然而其只在设定的频率范围内具有良好的透波性能。为获得宽频透波特性，在两个以上频率范围内具有良好的透波性能，可采用的方法主要有3种：一是采用低介电常数的氮化硅基透波材料制备成薄壁天线窗，其材料体系选择受到限制，难以同时满足天线窗结构强度及其它性能要求。二是进行夹层结构设计，使天线窗在两个以上频段具有较好的透波性能，但是由于不同层材料之间热物理性能差别大，存在较大的界面应力，影响高速飞行器透波材料使用过程中的可靠性。三是采用介电梯度结构设计，介电梯度结构可通过材料成分、微观结构等梯度获得。与第一、二种方法相比，第三种方法得到的宽频透波结构高温可靠性明显得到提高。已有的模拟计算表明：不同宽频透波的要求可以通过透波材料介电常数的梯度变化形式的设计来实现。然而，还没有一种简单可控的制备方法能够满足具有不同介电常数梯度变化形式的氮化硅基透波材料的制备。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种氮化硅基复合材料天线窗的制备方法，以解决具有介电常数梯度变化形式的氮化硅基复合材料天线窗的制备难题。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种氮化硅基复合材料天线窗的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤S1：根据氮化硅基复合材料天线窗的介电常数随厚度的变化规律，确定孔隙率随厚度的变化规律，进而确定制备氮化硅基复合材料中的陶瓷浆料固相含量随厚度的变化规律；

步骤S2：在3D打印过程中，根据陶瓷浆料固相含量随厚度的变化规律，控制含有陶瓷相的第一浆料和水溶胶的加入质量，逐层打印；

步骤S3：将步骤S2获得的氮化硅基陶瓷浆料凝胶块进行低温冷冻，然后进行真空冷冻干燥，得到干燥陶瓷胚体；

步骤S4：将步骤S3中得到的陶瓷胚体经烧结，降温后即可获得具有介电梯度的氮化硅基复合材料，经加工制备成氮化硅基复合材料天线窗。

进一步的，步骤S2中，由

公式(4)计算水溶胶的加入质量，

由计算第一浆料的加入质量；