项目以最有发展前景的SiBN系高温透波材料(包括Si3N4、BN、SiBN及其复相材料)为研究对象,针对其透波性偏低、韧性差和比重偏大的三大国际难题,提出连续SiBN系陶瓷纤维增强多孔氮化物复合材料的新方法,通过纤维增强大大提高陶瓷材料的韧性,多孔结构可望大幅提高其透波性和隔热性,降低材料密度。研究内容包括前驱体聚合物裂解法制备SiBN系连续陶瓷纤维、SiBN系陶瓷纤维增强氮化物多孔复合材料的结构设计与制备、高气孔率超轻高强SiBN系氮化物多孔陶瓷复合材料的结构设计与制备、纤维增强氮化物多孔陶瓷复合材料的性能表征和高温环境响应机制,根据近空间飞行器的运行环境和功能,设计制备具承载/透波/防热/隔热等结构功能一体的复合结构制件,主要指标介电常数2.5-4.0,介电损耗正切(0.9-5)×10-3;弯曲强度100-300MPa;热导率0.5-1.0 W/mK,比重1.8-2.5g/cm3。
wave-transparent fiber;SiBN fiber;wave-transparent composites;structural design;radome model
项目围绕我国新型高超声速武器开发迫切需要的高温透波陶瓷纤维及其复合材料设计与制备的关键科学问题,开展了SiBN高温透波陶瓷纤维及其复合材料的研究。期间发表论文32篇,会议论文7篇,申请发明专利29件,授权20件,培养青年学术骨干4名和研究生12名,全面完成了项目的各项计划任务,达到预期目标,取得主要成果如下攻克前躯体聚合物制备关键难题,建立SiBN前驱体聚合物的设计、合成与表征平台及其批量生产基地。设计、合成和表征了十几种具有不同化学结构的前驱体聚合物;放大建立了200L前驱体小分子合成中试装备;进一步与企业合作建立了1000L前驱体小分子的生产基地,单批可以生产30-50公斤前驱体聚合物。攻克SiBN前驱体聚合物纺丝关键技术,设计制造了惰性气体保护纺丝专用设备。攻克了熔体聚合直接纺丝、熔体可纺性、惰性气体保护纺丝技术与设备等难题,建立了公斤级前躯体聚合物连续纺丝实验平台,优化了熔体聚合反应和纺丝条件,纺丝速度高达450 m/min,连续纺丝稳定,重复性好,获得公斤级连续纤维,纤维直径为15-35μm,为制备连续SiBN陶瓷纤维奠定了坚实的基础。攻克前躯体聚合物纤维裂解关键技术,制得介电性能良好的SiBN高温透波陶瓷纤维。攻克了高陶瓷得率的不熔化处理方法、陶瓷化过程组成结构和性能演变规律及其缺陷控制方法、除碳方法及陶瓷纤维碳含量调控方法、氨气份连续裂解设备的设计制造等难题;制得低碳含量的SiBN陶瓷纤维,该纤维比石英纤维具有更优异的介电性能和耐热性能,特别是具有良好的高温抗氧化性能,有望满足我国在高超音速飞行器对高温透波纤维的迫切需求。建立了氮化物基高温透波复合材料制备技术。攻克了高孔隙率、良好介电性能和良好力学性能的氮化物多孔陶瓷复合材料制备的一系列关键技术;创新性的结合凝胶注模成型和无压烧结工艺,成功制备出高气孔率且均匀性好、高强度和低介电常数的一系列多孔氮化物基陶瓷复合材料,其中BNp/Si3N4材料,气孔率40.8%,抗弯强度114.6MPa,介电常数4.0,介电损耗3.3×10-3。建立高超高音速近空间飞行器用承载/透波/防热/隔热材料的复合结构设计方法。建立了对称C夹层双波段宽频透波结构、具有奇数层的多层对称天线罩壁结构模型等;建立高温梯度多孔透波结构模型及天线罩系统一体化设计方法;设计出可对任意双频段透波结构同时满足透波和高温力学性能要求。