Radome und wellenleitende Antennenfenster sind wichtige Strukturkomponenten in Flugzeugen, die Radarantennen vor externen Störungen schützen und gleichzeitig eine zuverlässige Kommunikation gewährleisten. Die derzeit am häufigsten verwendeten wellenleitenden Materialien sind Keramiken auf Oxid- und Nitridbasis. Si3N4-Keramiken mit ihrem hohen Schmelzpunkt und ihren überlegenen mechanischen Eigenschaften gelten als vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in Überschallfahrzeugen.
Die dielektrischen und thermischen Isolationseigenschaften dichter Si3N4-Keramiken müssen jedoch verbessert werden, um den Anforderungen an präzise Führung und Wärmeschutz im Hochgeschwindigkeitsflug gerecht zu werden. Durch Anpassung der Mikrostruktur ist es möglich, die dielektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften wellendurchlässiger Materialien zu verbessern.
Daher sind poröse Si3N4-Keramiken von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Radarkuppeln und Antennenfenstern für Überschallflugzeuge, die extremen Temperaturen und Belastungen standhalten und gleichzeitig niedrige Dielektrizitätskonstanten für eine effektive Radarfunktion aufrechterhalten müssen. Traditionell war es eine Herausforderung, die mechanische Festigkeit mit der Effizienz der Wellenübertragung in Einklang zu bringen, und es waren innovative Lösungen erforderlich, um beide Aspekte zu verbessern.
Kürzlich entwickelte ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Zhilin Tian und Bin Li von der Sun Yat-sen-Universität in China eine poröse Si3N4-Keramik mit gleichmäßigen, feinen Strukturen unter Verwendung eines Dual-Lösungsmittel-Templating- und Gefriergussverfahrens. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Kontrolle der Porengröße und -struktur – Schlüsselfaktoren, die die Leistungsfähigkeit wellentransparenter Materialien bei hohen Temperaturen beeinflussen.
Mit herkömmlichen Methoden wie Direktschäumen, Gelgießen und organischer Templatimprägnierung gelingt es oft nicht, die erforderliche Einheitlichkeit und Regelmäßigkeit der Porenstruktur zu erreichen. Mit der neuen Methode lassen sich jedoch anisotrope prismatische Poren mühelos in isotrope sphärische Poren umwandeln. Diese Innovation führt zu einer synergistischen Verbesserung der mechanischen, thermischen und dielektrischen Eigenschaften in poröser Si3N4-Keramik.
Das Team veröffentlichte seine Arbeit im Zeitschrift für moderne Keramik am 26. August 2024.
„In dieser Studie haben wir mithilfe eines Dual-Solvent-Templating- und Gefriergussverfahrens poröse Si3N4-Keramiken mit gleichmäßigen Porenstrukturen entwickelt. Die resultierenden Keramiken haben eine Porosität von 56 % und weisen beeindruckende mechanische Eigenschaften mit Biege- und Druckfestigkeiten von 95±14,8 MPa bzw. 132±4,5 MPa auf“, erklärte Professor Zhilin Tian.
„Das Dual-Solvent-System bereichert die Vielfalt der Porenstrukturen, die eng mit dem Lösungsmittelverhältnis zusammenhängt. Mit abnehmendem tert-Butylalkohol-Gehalt verändert sich die Porenstruktur von prismatisch zu kugelförmig. Darüber hinaus nimmt der Porendurchmesser mit zunehmendem Camphen-Gehalt zunächst ab, bevor er wieder zunimmt.
„Bei einem Lösungsmittelverhältnis von 1:2 erreicht der durchschnittliche Porendurchmesser sein Minimum, da die Lösungsmittelkristalle um Wachstumsraum konkurrieren. Mehr tert-Butylalkohol führt zu größeren Kristallen und Poren, während bei weniger tert-Butylalkohol kleinere Camphenkristalle dominieren, was zu kleineren Poren führt.“
„Unsere Dual-Solution-Templating-Methode bietet eine beispiellose Kontrolle über Porengröße und -struktur, die für die Herstellung von Hochleistungskeramiken für die Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung sind“, sagte Professor Tian. „Die Kombination von tert-Butylalkohol und Camphen als Template ermöglicht es uns, isotrope sphärische Poren zu erzeugen, was sowohl die mechanische Festigkeit als auch die thermischen Eigenschaften erheblich verbessert.“
Er führte weiter aus: „Der Wettbewerb zwischen den Lösungsmittelkristallen trägt dazu bei, eine optimale Porengröße zu erreichen, was zu einer verbesserten Rissablenkung und Energieabsorption unter Hochgeschwindigkeitsflugbedingungen führt.“
Diese Studie legt den Grundstein für weitere Fortschritte bei wellentransparenten Materialien. Laut Professor Tian umfassen die nächsten Schritte die Skalierung des Produktionsprozesses und die Feinabstimmung der Materialeigenschaften, um den spezifischen Anforderungen verschiedener Luft- und Raumfahrtanwendungen gerecht zu werden. „Unser ultimatives Ziel ist die Entwicklung einer Keramikklasse, die in einer Vielzahl extremer Umgebungen eingesetzt werden kann.“
Weitere Informationen:
Yuanyuan Liu et al., Synergistische Förderung der dielektrischen und thermomechanischen Eigenschaften poröser Si3N4-Keramiken durch eine Dual-Solvent-Template-Methode, Zeitschrift für moderne Keramik (2024). DOI: 10.26599/JAC.2024.9220962
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press