氧化鋯增韌石英陶瓷透波材料的研究

韓龍 梁慧

摘 要：主要研究了通過添加微米級氧化鋯來提高石英陶瓷材料的抗彎強度。結果表明，當添加5Wt%的氧化鋯時，石英陶瓷的力學性能明顯改善，抗彎強度由36.53MPa增至58.95MPa，氣孔率下降，而且沒有引起石英陶瓷的大量析晶 。對引起這種變化的原因進行了分析，并用SEM對材料的微觀形貌進行觀察，用壓汞儀測試材料的氣孔率，用X射線衍射對材料的成份進行定性分析。

關鍵詞：石英陶瓷;氧化鋯增韌;力學性能;介電性能

1 前 言

石英陶瓷材料具有優良的介電、熱學和力學等綜合性能，是目前導彈天線罩的主要應用材料[1]。

材料的介電性能（介電常數和損耗角正切）直接影響天線罩的電性能，是選擇材料的主要依據[2]。 損耗角正切（tgδ）越大，電磁波能量在透過天線罩過程中轉化為熱量而損耗掉的能量就越多。介電常數（ε）越，則電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，這將增加鏡像波瓣電平并降低傳輸效率。因此，要求天線罩材料的損耗角正切低至接近于零，介電常數盡可能低，以達到“最大傳輸”和“最小反射”的目的[3]。低介電常數的材料還能給天線罩帶來寬頻帶響應，允許放寬壁厚公差，從而降低制造成本[4]。

一般來說，透波材料的適宜相對介電常數值為1～4，損耗角正切值為10-1～10-3。石英陶瓷材料具有優良的介電性能、低介電常數、低膨脹系數、優良的抗熱震性能及成本低廉等優點成為研制導彈天線罩的首選材料（國內先進型號導彈的天線罩采用石英陶瓷作為天線罩材料[5]）

隨著新型號天線罩的不斷研制和開發，對石英陶瓷材料的要求越來越高，近年來科學家們受先進陶瓷進展的啟發，開始探索玻璃陶瓷的強化增韌來克服石英陶瓷室溫強度低的缺點[6]。本文受氧化鋯增韌陶瓷的啟發，用微米氧化鋯來強化增韌石英陶瓷，并加入納米二氧化硅起到的納米效應，在玻璃陶瓷的強化增韌方面做些初步的探索，以求在天線罩材料的研制上取得進展。

2 實驗

2.1 原料與配方

實驗原料見表1

2.2 實驗過程

按表2的實驗配方稱料，在尼龍罐中混料20min，轉速為250r/min，烘干后，用PVA做粘結劑造粒，陳腐24h，在100MPa下壓制成尺寸為40mm×40mm×h（8～10）mm的試樣，置于硅碳棒程控電爐中，以5 ℃/min 的升溫速度，在1200℃燒結，保溫10min后，自然降溫。

3.結果與討論

3.1 強度測試及分析

將試樣切成2.5mm×5mm×25mm試條，在美國Instron 5569型電子萬能材料試驗機上測三點彎曲強度，壓頭位移速度為0.5 mm/min，最終結果取平均值，如圖1。

從圖1可以看出在燒結溫度均為1200℃時，ZrO2含量在5%時達到了最高值;再提高ZrO2含量反而會使強度有所降低，其原因在于ZrO2的加入使得坯體更難于燒結，致密度下降，氣孔率提高。

3.2介電性能測試及分析

利用NETZSCH 固化監測儀測試樣品的介電常數及介質損耗。

測試過程中，樣品被置于兩個電極（介電傳感器）之間，在一側電極上施加正弦的激發電壓，使材料中的偶極子在電場中取向，離子移向不同極性的電極。在另一側電極則測量得到的正弦感應信號。由于感應信號的相位變化和振幅衰減與材料中離子移動性和偶極子取向有關，由此可以計算出材料的

介電常數和損耗因子。結果見圖2 。

由圖2看出，ZrO2的含量的逐漸增加，材料的介電常數呈下降趨勢，這是因為引入的ZrO2材料的介電常數明顯比石英陶瓷的大，ZrO2的含量越高，材料整體的介電常數越高，所以，ZrO2的加入量不宜過高。

3.3 微觀形貌分析

用日本日立公司的（SEM）S-2500掃描電鏡型研究試樣的微觀形貌。

由圖3看出，不添加ZrO2時，陶瓷的結構不太致密，有大晶粒生成，對強度影響很大。含5%ZrO2的石英陶瓷結構致密，并有玻璃相起到連通作用，對于石英陶瓷這種材料，這樣的結構對強度的增加是很有利的。含10% ZrO2的材料結構很致密。含15% ZrO2的材料結構疏松，顆粒大小不均勻。含20% ZrO2的材料結構疏松，致密度很差，氣孔率高。

3.4孔隙度測試分析

測試采用美國的的Poremaster-60型全自動孔隙度分析儀（壓汞儀）。測試結果見圖4。

可見，孔隙度的測試值與抗彎強度呈對應關系，孔隙度越高，強度越低。氣孔增多，材料的致密度必然下降。由微觀形貌也可以看出，顆粒均勻，排列緊密的材料，氣孔率下，強度值高。

3.5 材料的X射線分析

測試采用D/Max-rA型X射線衍射儀。

由圖5可以看出，五種配比的石英陶瓷都沒有SiO2晶體，析晶不明顯，說明適當的加入ZrO2，不會引起石英陶瓷的大量析晶，因而對強度只能增強，不會因析晶導致強度下降。

4.結論

（1）總SiO2（其中微粉80% +粗粉10% +納粉10% ）含量占95%、ZrO2+ Y2O3（ 97.2mol% ZrO2+2.8mol% Y2O3 ）的總含量占5%時抗彎強度最佳。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）在1200 ℃的溫度下燒結時ZrO2含量在5%時有明顯的增韌效果，彎曲強度從抗彎強度由36.53MPa增至58.95MPa。

（3）ZrO2的加入并沒有引起石英陶瓷的大量析晶。

（4）ZrO2含量5%時石英陶瓷的介電常數為3.11，損耗角正切為0.00994。依據透波材料的適宜條件，能夠滿足透波材料的需要。

參考文獻

[1]雷景軒，鄔浩，趙中堅.石英陶瓷天線罩材料研究進展[J].中國陶瓷，2020，56（04）：7-12.

[2]蔡德龍，陳斐，何鳳梅，賈德昌，匡寧，苗蕾，邱海鵬，王洪升，徐念喜，楊治華，于長清，張俊武，張偉儒，周延春.高溫透波陶瓷材料研究進展[J].現代技術陶瓷，2019，40（Z1）：4-120.

[3]崔雪峰，李建平，李明星，周杰，李鑫，成來飛，劉永勝，葉昉.氮化物基陶瓷高溫透波材料的研究進展[J].航空材料學報，2020，40（01）：21-34.

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

[5]田共有.一種石英陶瓷天線罩材料力學特性研究[J].陶瓷學報，2019，40（01）：46-50.

[6]張會芳，卜景龍，申書斌，陳越軍，張璞.Ho2O3-Y2O3對熔融石英晶化性能的影響[J].中國陶瓷，2015，51（07）：12-15.