多级孔隙结构Si2N2O/Si3N4复合材料的构筑与透波性能调控

As an advanced materials preparation technology, technological innovation and theoretical breakthrough of wave-transparent composites are imperative for the development of microwave sintering technique. In this project, hierarchical porous Si2N2O/Si3N4 composites with in-situ reinforced low-dimensional Si2N2O and β-Si3N4 nano-phase are fabricated with amorphous Si3N4 and SiO2 powders as raw materials. Synergistic enhancement of structure, as well as performance, will be achieved through elaborating the composition, interface structure and porosity. Moreover, more effort will be dedicated on the effect of of composition, microstructure and interface feature on the dielectric properties, in order to disclose the microwave-transparent mechanism. Investigation will be also performed on the mechanical properties, thermal insulation and dielectric feature of Si2N2O/Si3N4 composites, leading to a clear intercorrelation among “materials-porous structure-mechanical-thermal insulation-dielectric properties”. The predicted achievements of this project will contribute theoretical design and preparation technique to high thermal shock resistance, thermal insulation and wave-transmittance materials applied in the field of microwave sintering.

微波烧结制备材料新技术的发展急需高透波复合材料的技术创新和理论突破。本项目以非晶Si3N4与SiO2为原料，原位反应制备低维Si2N2O与β-Si3N4纳米相协同增强多级孔隙结构的Si2N2O/Si3N4复合材料，通过调控复合材料组成、界面结构、孔隙特征，实现结构-功能协同增强。重点研究组分含量、微观形貌与界面结合特征对Si2N2O/Si3N4复合材料介电性能的影响，揭示由材料本征损耗与界面结构损耗所产生的高透波机理；优化孔隙结构设计，研究Si2N2O/Si3N4复合材料力学、隔热与介电效应特征，揭示由孔隙结构特征所产生的高透波机理，建立相关介电模型，阐明材料“组成-孔隙结构-力学-隔热-介电性能”内在关联。项目实施将为微波烧结用高抗热震、隔热与高透波的“结构-功能”一体化的保温材料的设计和制备提供理论基础与技术支持。

微波烧结作为一种先进的材料制备技术，它具有升温速度快、能源利用率高、加热效率高和安全无污染等特点，已经成为材料烧结领域新的研究热点。目前，微波窑的使用温度主要在800℃以下，使用温度在1300℃以上的高温微波烧结窑十分少见，究其原因主要是缺少集抗热震、隔热、高透波于一体的耐火材料。多孔Si2N2O陶瓷不仅具有较低的介电常数和介电损耗，同时具备优异的抗氧化和抗热震性能。因此，多孔Si2N2O陶瓷的制备与性能研究可拓展其在微波窑以及高温耐热组件方面的应用，具有十分重要的应用价值。本项目以非晶氮化硅（Si3N4）为原料，以碳酸锂、碳酸钠为烧结助剂，利用烧结助剂低温熔融高温强挥发特性，达到低温促进烧结，高温净化晶间相的目的，同时利用其高温挥发产生气孔制备出了综合性能优异的多孔纯相Si2N2O陶瓷及其复合材料，通过调控复合材料组成、界面结构、孔隙特征，实现结构-功能协同增强效应。重点研究了添加剂种类与含量对Si2N2O/Si3N4复合材料介电性能的影响，揭示由材料本征损耗与界面结构损耗所产生的高透波机理；通过成型压力的控制，制备了密度梯结构可控的Si2N2O陶瓷，研究了Si2N2O/Si3N4复合材料力学、隔热与介电效应特征；同时研究了不同球磨方式对氮氧化硅材料的物相组成及其分布比例 、微观形貌等方面的影响。随着烧结助剂含量的升高，Si2N2O陶瓷的抗弯强度、断裂韧性和弹模量都呈升高趋势，在孔隙率为49.78%的情况下，抗弯强度仍可达 50 MPa，断裂韧性为 1.34 MPa·m1/2，弹性模量为22.6 GPa，当碳酸锂含量为 2 wt.%时，多孔Si2N2O陶瓷（气孔率为 52.64%）的介电常数和损耗分别为3.54和0.0029。本项目实施为微波烧结用高抗热震、隔热与高透波的“结构-功能”一体化的保温材料的设计和制备提供理论基础与技术支持。