耐高温陶瓷

高性能耐高温陶瓷透波材料的研究进展

摘要简要介绍了高温陶瓷透波材料的研究进展，分析了材料体系的技术发展以及透波材料的力学性能和介电性能，提出了高温透波材料的研究重点和方向。

关键词天线罩高温透波材料介电常数

Research Development of High Temperature Ceramic Wave-transparent Materials

Abstract The development of the high temperature ceramic wave-transparent materials is briefly viewed. Technical development of materials systems and the mechanical and dielectric properties of wave-transparent materials are analyzed. The developing trend of high temperature wave-transparent materials is prospected.

Keywords radome, high temperature wave-transparent materials, dielectric constant

目录

0 引言 (1)

1 陶瓷透波材料体系的技术发展 (1)

1.1 二氧化硅材料体系 (1)

1.2 氮化硅和氮化硼材料体系 (2)

1.3 磷酸盐复合材料 (2)

2 国内外高温陶瓷透波材料的研究现状 (2)

2.1 国外高温陶瓷透波材料的研究现状 (2)

2.2 国内高温陶瓷透波材料的研究现状 (3)

3 结束语 (6)

参考文献 (7)

0 引言

透波材料是保护飞行器在恶劣环境下通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作的一种多功能介质材料，在运载火箭、飞船、导弹及返回式卫星等飞行器无线电系统中得到广泛应用。按其结构形式，透波材料可以分为天线窗和天线罩两大类，其中天线窗一般位于飞行器的侧面，通常为平板或带弧面的板状；天线罩位于飞行器的头部，多为锥形和半球形，具有导流、防热、透波、承载等多种功能[1]。天线罩的主要用途是保护无线电寻的导引头的天线在导弹飞行过程中能够正常工作。可以说，天线罩不仅是无线电寻的制导系统的重要组成部分，而且是导弹弹体的重要组成部分。导弹飞行时，处于高速气动加热、加载以及雨滴冲击等严峻环境中的天线罩必须保持结构完整，尽可能不失真地透过电磁波。这依赖于天线罩精确合理的外形、壁结构设计、各种良好的技能和精细的天线罩制作技术。由此可见，导弹雷达天线罩涉及多门复杂学科，是多种不同专业技术共同发展的结晶，其中，新材料及其工艺技术是天线罩制作中的关键环节，而我国在此方面与英、美、俄等国尚有一定差距。因此，大力开展新材料及其工艺技术的研究，不仅是天线罩制作的需要，也是我国材料科学未来发展的一大趋势[2]。

随着现代战争的需要以及导弹技术的发展，飞行器的飞行马赫数不断提高，对雷达天线罩的耐高温抗烧蚀性能要求也日益提高。研制具有耐高温、抗烧蚀、承载、透波等性能的新型多功能透波材料，成为目前透波材料的研究重点和发展方向。高温陶瓷材料具有工作温度高、抗烧蚀、性能稳定、不吸水、不吸潮、强度高等优点，满足耐高温、抗烧蚀、承载、透波多功能要求，成为国内外高温透波材料研究的热点。

1 陶瓷透波材料体系的技术发展

目前各军事强国都在研发新型精确制导地／地、地／空、高马赫数巡航导弹、反辐射和反弹道导弹，促使天线罩材料向高性能、多功能方向发展。

1.1 二氧化硅材料体系

二氧化硅材料体系主要指石英玻璃、石英陶瓷材料及石英纤维织物增强二氧化硅复合材料；在无机材料中，石英陶瓷材料以其优良性能不仅能适用于飞行速度３～５Ｍａ的导弹天线罩，还能满足再入环境条件下的热绝缘和抗热冲击特性要求以及雷达透明性要求。但对于中程导弹机动飞行弹头，由于其飞行马赫数高，且加热时间相对较长，采用单一的石英陶瓷材料不能满足热应力的承载要求。因此，从２０世纪７０年代开始，前苏联已在几种中程精确制导导弹中淘汰石英陶瓷罩，改用复合材料或复相陶瓷天线罩[3]。一般来说，高马赫数短时间飞行可采用硅质纤维增强二氧化硅基复合材料、含除碳剂的硅树脂基复合材料或复相陶瓷，中低马赫数长时间飞行必须选用不碳化的陶瓷基复合材料，如织物增强磷酸盐和二氧化硅基体等。经纤维增强后的石英陶瓷材料天线罩在电性能方面不会受到影响，材料的介电性能稳定，且强度比原来提高１４％左右。除采用纤维增强石英陶瓷外，还可采用退火、制造表面压应力层、弥散颗粒增强等方法来提高石英陶瓷天线罩的强度。在石英陶瓷天线罩表面形成一个压应力层，使石英陶瓷天线罩表面裂纹扩展时产生的局部张应力能得到中和，改善那些主要由于表面裂纹引起破坏的因素。同时表面压应力层可防止并减少由于磨损和其他表面损伤而造成的强度下降，减少表面损伤的扩展。可采用化学气相沉积法在石英陶瓷材料表面涂覆石英玻璃层来作为表面压应力层，具体方法是：ＳｉＣｌ４经水解、氧化后沉积在石英陶瓷表面上，形成一层无定形疏松的

ＳｉＯ２层，然后经１０００～１１００℃熔烧成为薄层。这种方法可以在不损伤基体的温度下形成表面压应力层，而且可以弥合陶瓷的气孔和表面裂纹，使陶瓷材料强度得到增强（提高１５％左右）。

1.2 氮化硅和氮化硼材料体系

氮化硅基陶瓷是结构陶瓷综合性能最好的材料之一，不仅具有优异的力学性能、很高的热稳定性，而且具有较低的介电常数。它的分解温度为１９００℃，介电常数和介电损耗分别为７和（４～４．５）×１０－３，抗烧蚀性能比熔融石英好，能经受６～７Ｍａ飞行条件下的抗热震。氮化硼陶瓷具有比氮化硅陶瓷更好的热稳定性、更低的介电常数和介电损耗，是为数不多的分解温度能达到３０００℃的化合物之一，且在很宽的温度范围内具有极好的热性能和电性能稳定性，其介电常数及介电损耗分别为４．５和０．３×１０－３，但力学强度偏低，抗雨蚀性不足。因此，采用氮化硅与氮化硼复合制备的氮化硅／氮化硼复合材料具有更稳定的热物理性能、低介电常数和更高的力学性能，完全能够承受在高马赫数飞行条件下对天线罩材料防热、承载、透波等要求。

1.3 磷酸盐复合材料

磷酸盐复合材料在航天透波材料领域获得实际应用的主要是硅质纤维增强磷酸铝、磷酸铬及磷酸铬铝复合材料。一般按如下工艺制备磷酸盐复合材料：首先将纤维织物预处理，然后用准备好的磷酸盐真空浸渍，最后在１～１．５ＭＰａ、１５０～２００℃固化。制备过程中的关键技术问题是确定合成磷酸盐合适的物质的量比，选择合适的ｐＨ值对纤维进行保护处理及降低固化温度。经复合固化后的磷酸铬复合材料在１２００℃以下其力学、物理性能保持良好，电性能稳定，而磷酸铬铝基复合材料在１２００～１５００℃及磷酸铝复合材料在１５００～１８００℃均具有稳定的性能，这类材料在巡航导弹、反导型、战术型导弹及航天飞机上获得了应用。

2 国内外高温陶瓷透波材料的研究现状

2.1 国外高温陶瓷透波材料的研究现状

国外透波材料的研究始于２０世纪５０年代初，多年来投入了大量的人力和物力，目前已开发出多种透波材料体系，主要分为两大类：有机透波材料和无机透波材料，即高分子透波材料和陶瓷透波材料。高分子透波材料包括玻璃纤维和石英纤维等无机纤维增强树脂（聚酯树脂、环氧树脂、氰酸脂树脂、氟树脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂等）复合材料。陶瓷透波材料包括氧化铝陶瓷、微晶玻璃、石英陶瓷、氮化硅陶瓷，以及玻璃纤维和石英纤维等无机纤维增强氧化硅、磷酸盐等陶瓷复合材料[4]。

高分子透波材料使用温度低，难以满足高马赫数高性能导弹的使用要求，因此国外大力开发无机陶瓷透波材料。如美国研制的高性能雷达天线罩采用石英纤维增强氧化硅基复合材料即陶瓷复合材料，俄罗斯则采用磷酸盐陶瓷复合材料，如石英纤维增强磷酸铬。氧化硅基陶瓷复合材料制备工艺如下：有机硅树脂浸渍、高温裂解并除碳转化为ＳｉＯ２基体。其特点是使用温度高（可在１０００℃以上长期使用），介电性能好（介电常数为３．１～３．２），缺点是多次高温除碳对增强纤维强度损伤大，存在强度低、易吸水等缺点，吸水后介电性能和强度下降。