专利名称：一种Mo/AIN复相微波吸收材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微波吸收材料的制备方法，特别涉及金属陶瓷基微波吸收材料的制备方法，具体地说是一种钼/氮化铝(Mo/AlN)复相微波吸收材料的制备方法。
背景技术：
微波吸收材料是指能将投射到它表面的电磁波大部分吸收并转化成其他形式的能量而几乎无反射的材料。其工作原理是利用材料本身特殊的电荷载流子或极化材料的偶极子在高频场中的振动来消耗能量，或者利用半导体的导电性产生漏泄电导作用而把接收到电磁波的高频电磁场能转化成热量释放出去。美国于1950年代就开始将吸波材料应用于隐形飞机中。随着现代信息技术飞速发展，电子对抗、电子干扰技术日新月异，使得吸波材料的研究与开发具有重要的现实意义。例如，随着行波管功率的增大，其增益、带宽等提高，行波管的稳定性降低，此时在行波管中安装具有高微波吸收性能的体吸收器对于吸收反射波、防止行波管的自激振荡，提高其稳定性具有十分重要的作用。
吸波材料的品种较多，按损耗机理可分为介电型和磁性吸波材料，按成形工艺和承载能力可分为涂覆型和结构型吸波材料，按吸收原理则可分为吸收型和干涉型吸波材料等。常用作吸波材料的有铁氧体、半导体陶瓷、导电高聚物、碳化硅衰减陶瓷和金属陶瓷等。高磁导率的铁氧体微波吸收材料由于其具有较低的居里温度，在高温下它们的稀薄性能比较差，从而限制了其使用范围。半导体陶瓷(TiO2、TiO2+Al2O3等)的电阻率容易随温度发生变化，从而影响吸波材料的工作稳定性。导电高聚物吸波材料质量轻、机械特性好、组成和结构容易控制、在电磁波吸收方面显示出很强的设计适用性，但其耐高温性较差，难以满足大功率微波吸收的需求。碳化硅衰减陶瓷具有优良的机械性能及物理化学稳定性、吸波性好。但其制造工艺较复杂，加工很不方便、衰减参数难以调整，因此在实际应用上尚有一定困难。
与其他吸波材料相比，金属陶瓷吸收材料是一种新型的复合吸波材料，其导热性、真空性能好，吸收效率高，性能稳定，调整配方可以较容易调整衰减参数，且加工工艺相对简单，因而具有良好的应用前景。在金属陶瓷吸波材料中，AlN因具有良好的导热性、热稳定性、良好的介电性能等而成为最有潜力的陶瓷组元之一。
例如Amir Azam Khan等人在《具备高抗热震性能的AlN-Mo陶瓷基复合材料》(Materials science and Engineering，A230(1997)23-28)和《Mo的添加量对AlN-Mo陶瓷基复合材料的电学、力学和热学性能的影响》(Journal of European Ceramic Society，17(1997)1885-1890)两文中报道了采用热压工艺制备的AlN-Mo金属陶瓷材料的力学性能；但未对材料的微波吸收性能进行研究，并且所制备材料的致密度(相对密度)仅达95％以上，难以满足微波吸收材料的真空性能要求。此外，制备上述材料需采用热压工艺，即在高温烧结的同时需向试样施加20MPa以上的压力，从而对模具和装备提出了较高的要求，工艺成本较高，难以实现规模生产。
《中国陶瓷工业》(2006年第4期)报道了采用Y2O3做烧结助剂，在1850℃氮气保护气氛下热压烧结制得了不同W含量的AlN-W复相微波衰减材料，该材料对范围在2～18GHz的高频电磁波的最大衰减量为1.9dB。但该AlN-W复相材料在制备时，同样采用了热压工艺，并且虽然在热压用的石墨模具内壁涂有BN保护膜，但仍难以防止高温下石墨与试样中金属W产生碳化反应形成WC。此外，由于W与AlN密度相差很大(分别为19.3g/cm3和3.3g/cm3)，易造成混料以及成形烧结时的成分偏析。上述研究在材料组分设计和制备工艺等方面都有待进一步优化。
《太阳能学报》(2000年第1期)报道了采用金属粒子注入介质基体中形成的金属陶瓷(cermet)作吸收材料，制成的W-AlN金属陶瓷复合薄膜具有优良的光学性能和热稳定性。实验结果表明，优化后的涂层吸收率α＞0.9，发射率ε(35 3K)＜0.1。当温度高于350℃时性能稳定，吸收率α变化不大，而发射率ε不超过0.1。与多层渐变吸收涂层相比，金属陶瓷选择性吸收涂层具有膜系结构简单、高温条件下性能稳定、发射率较低等优点。该涂层适用于低倍聚光真空管集热器。但该研究采用共溅射方法，工艺成本高，仅适合制备薄膜吸波涂层。
发明内容
本发明针对现有金属陶瓷基微波吸收材料热压制备的缺陷，旨在提供一种无压烧结的制备方法，所要解决的技术问题是在常压和低于1800℃的条件下获得高致密度的烧结体。
本发明选择微米级的钼(Mo)粉和氮化铝(AlN)粉为原料，制备Mo含量为30-40wt％的Mo/AlN复相微波吸收材料，其制备方法包括球磨混合得到混合料，然后将混合料模压成形得到坯料，最后将坯料烧结，与现有技术的区别在于1、混合料是由配比量的Mo粉、AlN粉和复合烧结助剂共同球磨混合制备的，烧结助剂选自氧化钇(Y2O3)或氧化硅(SiO2)或氧化钙(CaO)或氧化锂(Li2O)等氧化物粉料，添加原则是多元、少量，所谓多元即至少添加上述两种氧化物粉料，少量即添加量为1-5wt％，在控制总量的前提下，两种或两种以上氧化物粉料之间相对比例任意。2、坯料烧结是在氮气(N2)或/和氦气(He)或/和氩气(Ar2)气氛中于1750-1790℃条件下烧结，冷却后得到Mo/AlN复相的微波吸收材料。
Mo的密度为10.2g/cm3，虽然比W小得多，但比AlN大，在混料和成形时，为防止因物料比重不同导致成分偏析，可以加入2-6wt％的成形剂一道湿球磨，成形剂选自石蜡或橡胶，所谓湿球磨，是指液体石蜡或液体橡胶，若石蜡或橡胶为固体，则加入酒精等溶剂湿球磨。
本发明制备的Mo/AlN复相材料中Mo颗粒均匀地分散在AlN基体中。由于烧结助剂加入量较少，烧结后在AlN晶界上呈不连续分布，并未造成AlN晶粒间的分离。如图1所示。这并不影响主要由漏泄电导决定的吸收微波的性能。A1N不仅机械强度高、耐高温且热稳定性好，而且导热性也好，可将微波吸收转化的热能尽快释放。通过调整Mo/A1N的配比、粒度组成，可在较宽的范围内调整材料的吸波性能，本发明的Mo/A1N复相材料完全满足微波吸收材料的“轻、薄、强、宽”的技术要求。
本发明的Mo/A1N复相材料，相对密度＞98％(开孔隙率＜0.3％)，导热系数＞100W/(m·K)，介电常数22-40，介电损耗角正切＞0.1，在2.2-25GHz范围内具有良好的微波吸收性能，特别适合于制备在高温、高真空环境条件下运行的大功率行波管体吸收器。
四
图1所示为1770℃于(50％N2+50％Ar)气氛中烧结5h所得含35％Mo、1％Y2O3、1％SiO2和1％CaO的Mo/AlN烧结体的断面显微组织的扫描电镜照片。从中可以看出烧结体组织致密，AlN晶型生长完整。
五具体实施例方式
1、取40质量份(下同)Mo粉(粒度15μm)，60份AlN粉(粒度0.5μm)，3份Y2O3粉、2份Al2O3粉，6份石蜡与适量酒精混合球磨48小时，然后干燥、造粒，得到混合料，将混合料投入钢模中，100MPa下模压成形，得到坯料，将坯料置于碳管炉中于50％N2和50％Ar2气保护下，1750℃烧结4小时。得到Mo/AlN复相材料，相对密度99.2％(开孔隙率＜0.2％)，导热系数为132.2W/(m·K)，介电常数30-35，介电损耗角正切0.15。
2、取30份Mo粉(10μm)，70份ALN粉(0.5μm)，1份Y2O3粉，1份SiO2粉，1份CaO粉，4份液体羧甲基丁腈橡胶，混合球磨48小时，然后干燥、造粒，100MPa下模压成坯料，将坯料置于碳管炉中，70％N2、30％He气保护下，1780℃烧结5小时，得到Mo/AlN复相材料，相对密度98.9％(开孔隙率＜0.2％)，导热系数为138.5W/(m·K)，介电常数24-28，介电损耗角正切0.14。
3、取35份Mo粉(15μm)，65份AlN粉(1μm)，1.5份Y2O3粉，1份CaO粉，3份液体石蜡混合球磨48小时，然后干燥、造粒，得到混合料，将混合料投入钢模中，100MPa下模压成形，得到坯料，将坯料置于碳管炉中于N2气氛保护下，1770℃烧结5小时，得到Mo/AlN复相材料，相对密度99.1％，导热系数135.4W/(m·K)，介电常数27--32，介电损耗角正切0.14.
权利要求
1.一种Mo/AlN复相微波吸收材料的制备方法，以微米级Mo粉和AlN粉为原料，包括球磨混合、模压成形和烧结、冷却，其特征在于所述的球磨混合是配比量的Mo粉、ALN粉和复合烧结助剂共同球磨，所述的复合烧结助剂选自Y2O3或SiO2或CaO或Li2O中的至少两种氧化物粉料、添加量1-5wt％；所述的烧结是在氮气或/和氦气或/和氩气气氛中于1750-1790℃条件下对模压坯料进行烧结。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在混合球磨时加入2-6wt％成形剂一道湿球磨，所述的成形剂选自石蜡或橡胶。
全文摘要
一种Mo/AlN复相微波吸收材料的制备方法，将微米级Mo粉和AlN粉按30－40∶70－60的质量比配比后加入1－5wt％复合烧结助剂球磨混合得到混合料；将混合料模压成形，得到坯料，坯料于1750－1790℃条件下在惰性气体保护下烧结冷却后得到Mo/AlN复相微波吸收材料，相对密度＞98％，导热系数＞100W/(m·K)，介电常数22－40，介电损耗角正切＞0.1，在2.2－25GHz范围内具有良好的吸波性能，特别适合制备在高温、高真空条件下运行的大功率的行波管吸热器。
文档编号B22F3/12GK101082090SQ200710025059
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月1日 优先权日2007年7月1日
发明者程继贵, 梁槟星, 董洁, 夏永红, 李洁, 顾瑞 申请人:合肥工业大学