多孔氮化硅的注浆成型技术及其在高温雷达频率天线罩中的应用研究

这篇综述系统研究了通过注浆成型(slip casting)工艺制备多孔氮化硅(Si3N4)材料的技术路线，重点探讨了Y2O3-Al2O3和Yb2O3烧结助剂体系对材料孔隙率（7%-38%）和介电性能的调控作用，为开发适用于高超音速（>5马赫）环境下耐1400°C的雷达频率(RF)天线罩提供了新思路。

　　

Abstract

研究开发了基于6wt.% Y₂O₃-2wt.% Al₂O₃和5-15wt.% Yb₂O₃烧结助剂体系的氮化硅悬浮液，通过流变学、zeta电位和铸造速率测试确定了最佳球磨时间、聚乙烯亚胺(PEI)分散剂浓度和pH值。烧结后的样品孔隙率在7%-38%范围内可控，其中Y₂O₃-Al₂O₃体系相对密度显著高于Yb₂O₃体系。

1 INTRODUCTION

天线罩作为保护雷达天线的电磁透明结构，其介电常数需与自由空间匹配以实现8-40GHz雷达频率(RF)范围的高信号传输强度。氮化硅因其高温稳定性、高强度、低介电常数等特性成为理想候选材料。研究采用注浆成型这一传统成形工艺，通过调控烧结助剂种类和含量来精确控制材料孔隙率。

2 MATERIALS AND METHODS

2.1 材料和悬浮液配方

使用α-Si₃N₄（95% α相）为原料，配以不同比例的Y₂O₃、Al₂O₃和Yb₂O₃烧结助剂。通过24小时球磨和离心混合制备均匀悬浮液，采用PEI作为分散剂，优化浓度为0.5wt.%，pH值调节至7。

2.2 粉末和悬浮液表征

流变测试显示，24小时球磨后悬浮液达到稳定状态。zeta电位分析表明，所有体系在pH7时电位>35mV，确保良好稳定性。沉积研究表明，在典型铸造时间内（<2小时）悬浮液保持稳定。

2.3 注浆成型

采用石膏模具进行单向过滤成型，铸造收缩率在31.6%-35.9%之间。通过3D打印树脂模板成功制备出0.56和1.06两种基底/高度比的锥形天线罩。

2.4 热脱脂和烧结

在1850°C无压烧结后，Y-Al体系达到93.1%相对密度，而5Yb、10Yb和15Yb体系分别为78.6%、62.2%和64.3%，证实Yb₂O₃能有效保留孔隙。

3 RESULTS AND DISCUSSION

3.1 粉末表征

原始粉末的等电点分别为：Si₃N₄（pH5.0）、Y₂O₃（pH7.0）、Yb₂O₃（pH8.1）和Al₂O₃（pH8.7）。

3.2 悬浮液优化

0.5wt.% PEI在pH7时实现最低粘度（<2Pa·s）。Y-Al体系的铸造系数为7.1mm/s^0.5，低于Yb体系的10.5-11.7mm/s^0.5。

3.3 天线罩和层状结构

成功制备出无裂纹的锥形天线罩，其中Y-Al天线罩壁厚2.7mm，相对密度94%。多层结构（如Y-Al/10Yb/Y-Al三明治结构）显示出清晰的界面过渡而无分层。

4 CONCLUSION

研究证实注浆成型是制备多孔氮化硅组件的可行工艺，通过烧结助剂选择可精确调控孔隙率（7%-38%），为高温RF应用提供了新材料解决方案。锥形天线罩和层状结构的成功制备展示了该技术在复杂形状构件制造中的潜力。