原位生长高铝球石增强磷酸铬铝高温透波材料

　　高温透波材料是高速、超高速飞行器通信系统的保障，也是高速精确制导飞行器发展的关键材料之一。随着飞行器飞行速度和使用环境的不断升级，要求高温透波材料具有更加优良的力、电综合性能以及更长的寿命，但目前尚未获得一种耐热一透波一承载综合性能十分理想的透波材料。面对当前为数不多的高温透波材料品种，开展低成本高性能磷酸铬铝基透波复合材料的研究具有重要意义。磷酸铬铝具有低介电、化学稳定、耐高温的特点，但力学性能低，易吸潮，普遍采用硅质纤维增强与防潮涂层相结合的方式改进。然而硅质纤维增强磷酸盐材料由于纤维本身耐温能力和加热后磷酸铬铝对纤维的侵蚀限制了该系列材料的使用温度范围。纵观磷酸盐基复合材料研究现状，开展颗粒、晶须增强磷酸铬铝陶瓷基复合材料的研究是降低磷酸铬铝吸潮率、提高其使用温度的有效方法之一。

　　众多陶瓷材料中，高铝球石是少数和磷酸铬铝有良好化学相容性、热匹配特性的材料，并具有较低的介电常数和较高的耐温性能。因此为更好利用磷酸铬铝良好的耐高温、低介电性能，结合高铝球石与磷酸铬铝的优点，提出了一种新的磷酸铬铝复合材料体系和增强工艺，即：原位生长高铝球石颗粒、晶须增强磷酸铬铝复相陶瓷体系，并对其高温介电性能进行初步理论预测，以期为高温透波材料的发展提供更多的参考。磷酸铬铝基体热性质研究表明，160~900基体为无定型聚合结构，900~1300将分别发生析晶和分解，1300~1600由含铬的正磷酸铝构成，介电常数随物相变化而变化。经1300以上热处理，介电常数趋于稳定，吸潮率0.02wt%。

　　获得了室温抗弯强度157.45MPa、1000抗弯强度143.78MPa、断裂韧性4.08MPa·m1/2、介电常数3.8、损耗0.05(8~12GHz)、显微硬度550Hv、抗热震临界温差200的原位生长高铝球石颗粒增强磷酸铬铝复相陶瓷。控制高温高铝球石化时原料晶型状态是制备无开裂高铝球石/磷酸铬铝复合材料的关键；高铝球石/磷酸铬铝体系热力学研究表明，二者反应标准吉布斯自由能随温度升高非线性降低，且磷酸铬铝具有更低的反应标准吉布斯自由能；高铝球石生长满足高铝球石化动力学模型，1500达到最大反应速率，材料致密化受游离SiO2含量控制；体系属晶界增强型复相陶瓷，TEM显示二者无明显晶界相；高铝球石晶粒对磷酸铬铝晶界有明显钉扎作用；热膨胀系数差异导致残余应力诱发裂纹偏转、分叉以及高铝球石晶粒阻挡、拔出是主要的增强、增韧行为。

　　获得了室温抗弯强度135.60MPa、1000抗弯强度121.71MPa、断裂韧性4.52MPa·m1/2、介电常数3.6、损耗0.05(8~12GHz)、显微硬度400Hv、抗热震临界温差300的原位生长高铝球石晶须增强磷酸铬铝复相陶瓷。原位生长晶须有效改善了高铝球石颗粒增强磷酸铬铝复相陶瓷抗热震及介电性能；采用晶须引发剂内加法更适合本体系制备工艺；TEM显示原位生长高铝球石晶须表面具有台阶状特点，使复合界面增加了机械锁合几率；高铝球石晶须/磷酸铬铝复合界面结合属弱结合，复合材料最终通过晶须桥联、拔出、裂纹偏转机制达到增强、增韧目的。

　　原位生长高铝球石增强磷酸铬铝复相陶瓷体系具有较好的宽频透波能力，8~12GHz范围内电磁波透过率均大于60%，设计厚度为7mm时，透过率达到最佳状态(80%)；高温介电初步建模结果显示，磷酸铝介电常数、损耗随温度升高至1000K时迅速增加，与“P-O”键相对高的离子性有关；高铝球石介电常数、损耗随温度升高至800K时迅速增加，高温介电损耗主要由氧空位贡献，故控制高铝球石晶体氧空位数是降低其高温介电损耗的手段之一；最终实验结果表明，复杂晶体化学键理论在多元化合物高温介电模型中的应用是可行的。

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