中山大学团队制备出新型多孔氮化硅陶瓷

日前发表在《先进陶瓷》期刊上的一项研究中，中山大学的材料学团队在田志林博士和李斌教授的指导下，通过采用双溶剂模板和冷冻铸造技术，制备出一种具有均匀、细微结构的多孔氮化硅（Si3N4）陶瓷。

雷达罩和透波天线窗是飞机中关键的结构部件，能够在保护雷达天线免受外部干扰的同时，确保可靠的通信。目前，*广泛使用的透波材料是基于氧化物和氮化物的陶瓷。氮化硅（Si3N4）陶瓷因其高熔点和优越的机械性能，被视为高超音速飞行器应用的潜在理想材料。

然而，致密氮化硅（Si3N4）陶瓷的介电性能和热绝缘性能需要改进，以满足高速飞行中*制导和热防护的要求。通过调整微观结构，可以提升透波材料的介电、机械和热性能。

因此，多孔氮化硅（Si3N4）陶瓷在高超音速飞机雷达罩和天线窗的制造中至关重要。这些组件必须在承受极端温度和应力的同时，保持较低的介电常数以确保雷达的正常功能。传统上，机械强度与透波效率之间的平衡一直难以实现，这需要创新的解决方案来同时提升这两个方面的性能。

该团队采用的这种创新方法可以*控制孔径和结构，这对高温透波材料的性能具有重要影响。传统方法，如直接发泡、凝胶注模和有机模板浸渍，往往难以实现所需的孔结构均匀性和规整性。

这种新方法能够轻松将各向异性棱柱形孔转化为各向同性的球形孔。该创新显著协同提升了多孔氮化硅（Si3N4）陶瓷的机械、热和介电性能。

“在本研究中，我们通过双溶剂模板法结合冷冻铸造技术制备了具有均匀孔结构的多孔氮化硅（Si3N4）陶瓷。所得陶瓷的孔隙率为56%，并展现出优异的机械性能，其弯曲强度为95±14.8MPa，抗压强度为132±4.5MPa。”中山大学田博士介绍道。

田博士补充道：“双溶剂系统丰富了孔结构的多样性，这与溶剂比例密切相关。随着叔丁醇含量的减少，孔结构从棱柱形逐渐过渡为球形。此外，随着莰烯含量的增加，孔径先减小后增大。当溶剂比例为1:2时，由于溶剂晶体在生长空间上的竞争，平均孔径达到*小。更多的叔丁醇会导致晶体和孔径增大，而减少叔丁醇则让较小的莰烯晶体占主导地位，从而形成较小的孔径。”

他进一步补充道：“我们的双溶剂模板法提供了*的孔径和结构控制，这对于制造高性能航天应用陶瓷至关重要。叔丁醇和莰烯作为模板的结合使我们能够实现各向同性的球形孔，从而大大增强了机械强度和热性能。溶剂晶体之间的竞争有助于实现*佳孔径，从而改善在高速飞行条件下的裂纹偏转和能量吸收。”

这项研究为未来透波材料的进一步发展铺平了道路。田博士表示，接下来的步骤是扩大生产规模，并对材料性能进行微调，以满足各种航天应用的特定需求。

田博士指出：“我们的*终目标是开发一类可以在广泛极端环境中使用的陶瓷。”

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