一种基于微结构的陶瓷材料的制备方法及其应用与流程

1.本发明属于电磁场与微波技术领域，具体地说涉及一种基于微结构的陶瓷材料的制备方法及其应用。


背景技术：

2.随着毫米波技术的发展、导弹制导精度的提高以及反辐射导弹的发展，对制导系统和电子设备抗电子干扰能力的提高提出了更高的要求，要求其电磁窗/罩材料具有良好的宽带特性，能够覆盖一个或者多个波段的频段。目前常规的宽频透波结构材料包括多层结构以及超材料结构。
3.但是多层结构中通常包括多层介质层以及频率选择表面层，而透波材料对总厚度的要求很高，存在多层结构时，难以把握每层的厚度以及整体的厚度，另外，层与层之间的匹配问题也难以解决。现有的超材料结构大多是在pi膜上设置金属或石墨的单元结构，这种结构通常是二维的，只能接受一个或特定频段的电磁波，扩展频带的能力有限，无法满足宽频带(4～18ghz)的电性能使用要求。


技术实现要素：

4.针对上述问题，第一方面，本发明提出了一种基于微结构的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
5.在陶瓷基体的表面加工微结构层，
6.将隔热材料与加工完成的陶瓷基体连接，即得陶瓷材料；
7.其中，所述微结构层由若干周期排列的凸台组成，所述凸台的底面与陶瓷基体连接；所述凸台的底面和顶面为同心正方形，顶面的正方形边长小于底面的正方形边长；所述凸台的横截面形状为梯形，所述梯形的下底边与陶瓷基体连接。优选的，所述陶瓷基体为多孔氮化硅陶瓷或石英纤维增强石英陶瓷基复合材料，所述微结构层与陶瓷基体一体成型。
8.与现有技术相比，本发明的有益效果为：微结构层可以减少常规透波材料叠加的层数，有利于简化结构，降低多层材料之间的匹配难度；在陶瓷基体表面直接加工微结构，摒弃了传统方法中使用pi膜作为载体的模式，使氮化硅陶瓷或石英纤维增强石英陶瓷基复合材料直接作为微结构的介质材料，有利于将微结构设计成三维凸台结构，能够实现折射率的渐变，并拓展陶瓷材料的带宽、提高透波率，使陶瓷材料在4～18ghz内透波率达到70％以上。
9.优选的，所述微结构层包括第一结构层，
10.或者，所述微结构层包括第一结构层和第二结构层，所述第一结构层和第二结构层分别设置在陶瓷基体的两面；
11.所述第一结构层由若干第一凸台组成，所述第二结构层由若干第二凸台组成。
12.本优选方案的有益效果为：可在陶瓷基体的两面均加工设置微结构，或者只在陶瓷基体的其中一面加工微结构；当陶瓷材料实际应用到产品中时，比如，制作天线罩，如果
是一面加工，则第一结构层位于天线罩内侧；如果是双面加工，则第一结构层位于天线罩内侧、第二结构层位于天线罩外侧，有利于提高陶瓷材料及其应用产品的透波率。当微结构层包括第一结构层时，陶瓷材料在4～18ghz内透波率可达到70％以上；当微结构层包括第一结构层和第二结构层时，陶瓷材料在4～18ghz内透波率可达到80％以上。
13.优选的，所述第一凸台的高度h1为6.3～7.3mm，顶部正方形边长a1为3.4～3.8mm，底部正方形边长b1为5.3～6.3mm，周期p1为6.9～7.1mm。
14.所述第二凸台的高度h2为4.9～5.3mm，顶部正方形边长a2为3.1～4.1mm，底部正方形边长b2为4.9～5.1mm，周期p2为6.9～7.1mm。
15.本优选方案的有益效果为：通过限定第一凸台和第二凸台的具体高度、宽度、周期等参数，使其能够与陶瓷基体的厚度、介电常数等进行匹配，以使最终的陶瓷材料具有高透波率，能够在4～18ghz内透波率达到70％以上。
16.优选的，所述第二凸台的底部与陶瓷基体之间设有倒角结构，所述倒角结构具有弧形开口，弧形开口的宽度为1～1.5mm。
17.本优选方案的有益效果为：通过在第二凸台的底部与陶瓷基体之间设置倒角结构，有利于减少应力集中，提高陶瓷材料的强度。
18.优选的，所述陶瓷基体的介电常数为2.9～3.3，介电损耗角正切值不大于0.008，陶瓷基体的总厚度为16.1～26.5mm。进一步优选的，所述陶瓷基体的总厚度包括微结构层的厚度，所述微结构层的厚度为第一凸台的高度，或者为第一凸台与第二凸台的高度之和。
19.本优选方案的有益效果为：陶瓷材料只包括陶瓷基体和微结构层这两层，相比于传统结构，有效减少了叠加的层数，能够更准确地控制每层的厚度以及总厚度，进而提高透波率。
20.优选的，还包括隔热材料，所述隔热材料与第一结构层连接，所述隔热材料的介电常数为1.1～1.4，介电损耗角正切值不大于0.008，隔热材料的厚度为4.8～5.2mm。
21.优选的，所述隔热材料通过粘结剂与陶瓷基体连接，所述粘结剂为磷酸二氢铝。
22.本优选方案的有益效果为：设置隔热材料，并限定隔热材料的介电常数、介电损耗角正切值和厚度，使其与陶瓷基体和微结构层的相关参数进行匹配，在不影响透波性能的前提下，可使陶瓷材料在1400℃以上的高温环境下长时间使用，提高了可靠性。
23.第二方面，本发明提出了一种基于上述任一所述的基于微结构的陶瓷材料的制备方法制备得到的陶瓷材料。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：由于渐变折射率膜层既可拓宽减反射波长带宽，也可拓宽减反射角度带宽。基于此，本发明制备的亚波长微结构层(即三维凸台结构)从理论上来说就是一种折射率渐变结构，是从入射介质逐渐增加，渐变到基底折射率的微结构。当微结构的周期结构间距足够小时，此时可以将周期结构看成许多薄的片层，类似多层介质中的介质层，每层介质都有其等效折射率，利用布拉格曼等效介质近似理论可以实际计算等效折射率，然后利用菲涅尔公式可计算微结构整体的反射率和透过率。因此所述微结构层能够实现折射率的渐变，并拓展陶瓷材料的带宽、提高透波率，使陶瓷材料在4～18ghz内透波率达到70％以上。
25.第三方面，本发明提出了一种由上述任一所述的制备方法制备得到的陶瓷材料在宽频带天线罩中应用。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果为：使用上述基于微结构的陶瓷材料制备出的天线罩，能够实现折射率的渐变，接收多个频段的电磁波，使天线罩在4～18ghz内透波率达到70％以上。
附图说明
27.图1为本发明实施例陶瓷材料的结构图；
28.图2为本发明实施例第一结构层的结构图；
29.图3为本发明实施例第二结构层的结构图；
30.图4为图1中a处的放大图；
31.图5为本发明实施例陶瓷材料水平极化的透波性能曲线图；
32.图6为本发明实施例陶瓷材料垂直极化的透波性能曲线图。
33.1-陶瓷基体，2-第一结构层，2-1-第一凸台，3-第二结构层，3-1-第二凸台，4-倒角结构。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.实施例1
36.第一方面，如图1所示，本实施例提供了一种基于微结构的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
37.步骤1：制备陶瓷基体1，所述陶瓷基体1的介电常数为2.9～3.3，介电损耗角正切值不大于0.008。作为可选方案，所述陶瓷基体1为多孔氮化硅陶瓷或石英纤维增强石英陶瓷基复合材料，本实施例优选的，以多孔氮化硅陶瓷作为陶瓷基体1进行解释说明，所述多孔氮化硅陶瓷基体的制备方法如下：
38.料浆制备-喷雾造粒-成型-烧成-后处理-粗加工-制得多孔氮化硅陶瓷基体。
39.步骤2：采用定制的镀80#金刚砂的砂轮在多孔氮化硅陶瓷基体的表面加工微结构层；
40.所述微结构层由若干周期排列的凸台组成，所述凸台的底面与陶瓷基体1连接；其中，凸台的底面和顶面为同心正方形，所述顶面的正方形边长小于底面的正方形边长；所述凸台的横截面形状为梯形，所述梯形的下底边与陶瓷基体连接。
41.所述微结构层包括第一结构层2，或者，所述微结构层包括第一结构层2和第二结构层3；所述第一结构层2和第二结构层3分别设置在陶瓷基体1的两面；隔热材料与第一结构层2连接，如图1-3所示，第一结构层2由若干第一凸台2-1组成，所述第二结构层3由若干第二凸台3-1组成。所述第一凸台2-1的高度h1为6.3～7.3mm，顶部正方形边长a1为3.4～3.8mm，底部正方形边长b1为5.3～6.3mm，周期p1为6.9～7.1mm。所述第二凸台3-1的高度h2为4.9～5.3mm，顶部正方形边长a2为3.1～4.1mm，底部正方形边长b2为4.9～5.1mm，周期p2为6.9～7.1mm。可在陶瓷基体1的两面均加工设置微结构，或者只在陶瓷基体1的其中一面加工微结构；当陶瓷材料实际应用到产品中时，比如制作天线罩，如果是一面加工，则第一结构层2位于天线罩内侧；如果是双面加工，则第一结构层2位于天线罩内侧、第二结构层3
位于天线罩外侧，有利于提高陶瓷材料及其应用产品的透波率。本实施例优选的，微结构层包括第一结构层2和第二结构层3，如图4所示，在陶瓷基体1的两面均加工设置微结构，第二凸台3-1的底部与陶瓷基体1之间设有倒角结构4，所述倒角结构4具有弧形开口，弧形开口的宽度为1～1.5mm。
42.本实施例优选的，所述陶瓷基体1的总厚度为26.1～26.5mm，陶瓷基体1的总厚度包括微结构层的厚度，所述微结构层的厚度为第一凸台2-1的高度，或者为第一凸台2-1与第二凸台3-1的高度之和，本实施例中，陶瓷基体1的总厚度包括第一凸台2-1的高度和第二凸台3-1的高度。
43.步骤3：按照料浆制备-成型-烧成-加工的制备工艺进行隔热材料的制备；作为可选方案，隔热材料可以是隔热瓦或气凝胶复合材料，本实施例优选为隔热瓦，所述隔热瓦的介电常数为1.1～1.4，介电损耗角正切值不大于0.008，厚度为4.8～5.2mm。
44.步骤4：将隔热材料通过耐高温无机粘结剂与第一结构层2连接，即得陶瓷材料。本实施例优选的，所述粘结剂为磷酸二氢铝。
45.第二方面，本实施例还提供了一种基于上述任一所述的基于微结构的陶瓷材料的制备方法制备得到的陶瓷材料。如图5、6所示，所述陶瓷材料能够实现折射率的渐变，接收多个频段的电磁波，使陶瓷材料在4～18ghz内透波率达到80％以上。
46.第三方面，本实施例还提供了一种由上述任一所述的制备方法制备得到的陶瓷材料在宽频带天线罩中的应用。
47.实施例2
48.本实施例与实施例1相比，区别之处在于：
49.(1)所述陶瓷基体1为石英纤维增强石英陶瓷基复合材料，所述石英纤维增强石英陶瓷基复合材料的制备方法如下：
50.制备石英纤维预制体，将预制体经过反复循环浸渍干燥、粗加工后得到坯体，将坯体反复循环浸渍、进行干燥热处理，即制得石英纤维增强石英陶瓷基复合材料。
51.(2)所述微结构层包括第一结构层2，或者，所述微结构层包括第一结构层2和第二结构层3；本实施例优选的，所述微结构层只包括第一结构层2，在制作天线罩时，第一结构层2位于天线罩内侧。所述陶瓷基体1的总厚度为16.1～20.5mm，所述陶瓷基体1的总厚度包括第一凸台2-1的高度。
52.(3)本实施例所述隔热材料为气凝胶复合材料，所述气凝胶复合材料的介电常数为1.1～1.4，介电损耗角正切值不大于0.008，厚度为4.8～5.2mm。
53.(4)通过本实施例的制备方法制得的陶瓷材料能够实现折射率的渐变，接收多个频段的电磁波，且在4～18ghz内透波率可达到70％以上。
54.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。