1、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 MaterialsAbstract The development of the high temperature ceramic wave-transparent materials is briefly viewed. Technical develop
2、ment 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 .11 陶瓷透波材料体系的技
3、术发展 .11.1 二氧化硅材料体系 .11.2 氮化硅和氮化硼材料体系 .21.3 磷酸盐复合材料 .22 国内外高温陶瓷透波材料的研究现状 .32.1 国外高温陶瓷透波材料的研究现状 .32.2 国内高温陶瓷透波材料的研究现状 .43 结束语 .6参考文献 .710 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
4、、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
5、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
6、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 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，从世纪年代开始，前苏联已在几种中程精确制导导弹中2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
7、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： 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 层，然后
8、经熔烧成为薄层。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，介电常数和介电损耗分别为和（） ，抗烧蚀性能比熔融石英好，能经受 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和 ，但力学强度偏低，抗雨蚀性不足
9、。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、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及磷酸
10、铝复合材料在3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世纪年代初，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
11、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基体。其特点是使用温度高（可在以上长期使用） ，介电性能好（介电常数为） ，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。磷酸盐陶瓷复合材料的强度比氧化硅基体复合材料高，弯曲强度可达，压缩强度为，但介电性能比氧化硅基体复合材料差，介电常数为，介电损耗
12、正切为，使用温度低，在以下具有与石英类材料相近的介电性能。因此，国外积极开发新型高温透波材料体系。美国新近开发了无机硅聚合物基透波复合材料，与有机硅树脂相比，这种无机硅聚合物（树脂和树脂）具有使用温度高、无需高温除碳、复合材料强度高等特点。树脂在保温质量损失仅为左右，树脂在的质量保留率高达。研制的石英纤维织物 （和织物）增强无机硅聚合物的性能列于表。4以氮化硅为基本组成的陶瓷复合材料天线罩是西方研究的主要目标之一，除继续改进热压氮化硅、反应烧结氮化硅制造技术外，在氮化硅工艺技术上也取得了进展。年，在美国海军部资助下，研究出以磷酸盐为粘结剂、烧结温度不超过的无压烧结氮化硅陶瓷材料。该材料的介电常
13、数 为，介电常数变化率为，抗弯强度为。年，在美国陆军部资助下，研制出以无压烧结纳米复合材料陶瓷天线罩，应用于超音速飞行器。该材料在、的介电常数和介电损耗别为、和、，介电常数变化率不到，抗弯强度为，约为石英陶瓷强度（）的倍，硬度是石英陶瓷的倍，综合性能显著优于石英陶瓷5。美国、以色列等在类泡沫氮化硅陶瓷耐热宽带材料方面发展较快。研制的一种氮化硅天线罩材料，其介电性可满足 介于、 ，而且强度高、耐雨蚀性能良好，可耐以上高温。它是由一种低密度（ ）多孔结构氮化硅，外加一层高密度（ ）氮化硅组成的，高密度氮化硅不透水且质地坚硬，以增强抗雨蚀、抗烧蚀能力6。2.2 国内高温陶瓷透波材料的研究现状国内透波
14、材料研究从世纪年代末开始，开发的透波材料多为树脂基有机材料，如玻璃纤维和石英纤维等无机纤维增强树脂（环氧树脂、氟树脂、双马树脂等）复合材料，其特点是工艺简单、成本低，强度高、质量轻，但使用温度低，最高使用温度为7。尽管如此，国内无机陶瓷材料也取得了一定进展，研制的无机陶瓷透波材料有微晶玻璃、石英陶瓷和纤维增强 陶瓷复合材料，特点是使用温度较高，可在使用。其中，微晶玻璃、石英陶瓷是典型的脆性材料，抗冲击性能差，应用于低马赫数导弹透波材料，微晶玻璃用于以下，石英陶瓷可工作到以上，但仍无法满足高过载要求和薄壁结构使用要求。国内纤维增强二氧化硅复合材料的研究起步于世纪年代末，先后研制和发展了正5交三向
15、石英、高硅氧穿刺等耐热透波复合材料，其已经在等型号天线窗上获得应用8。纤维增强结构研究也取得了较大进展，开发出仿形织物，这种织物增强二氧化硅复合材料的突出特点是综合性能优良，除了良好的耐热性能和很低的介电常数外，强度和断裂韧性要比石英陶瓷材料高得多，是一种综合性能较好的耐热宽频带天线罩材料。国内石英纤维增强氧化硅复合材料（ ）的性能列于表7。哈尔滨工业大学开发出新型硅氧氮陶瓷先驱体树脂，与有机硅树脂的最大不同就是结构中不含碳元素，是一种无机聚合物。用该树脂制备的硅氧氮陶瓷不仅介电性能优异，而且热膨胀系数低、抗热震性能好、高温强度高、耐氧化稳定性高。材料抗弯强度和断裂韧性分别达到和 ，比 基体提
16、高了倍和倍。随着武器的技术发展，新一代常规机动地地导弹导引头对透波材料提出了更高的技术要求耐高温、高强度、抗冲击、热稳定（低热膨胀系数） 、抗烧蚀、优异的绝热性能以及透波性能（介电常数和损耗指标） 。现有的陶瓷高温透波材料（石英 透波陶瓷复合材料、氮化硅陶瓷透波材料等）难以满足其使用要求9。现有石英纤维增强 基复合材料的不足主要体现在以下方面10：石英氧化硅材料容易吸水吸潮，严重影响材料的介电性能；强度低，抗冲击性能有待提高，高温强度不稳定；使用温度和抗烧蚀性能有待提高；成型工艺采用凝胶溶胶法，制备周期长。航天所采用密封浸渗涂层处理，在一定程度上改善了 基陶瓷透波材料的抗湿性能，但其强度和抗烧
17、蚀性能仍然不能满足新一代常规机动地地导弹导引头透波材料的使用要求。国内外广泛采用的氮化硅陶瓷介电性能较差、热导率太高，绝热性能和透波性能难以满足新一代常规机动地地导弹导引头透波材料的绝热要求。因此，急需发展集“耐高温、高强度、抗冲击、热稳定、抗烧蚀、绝热以及透波”等结构功能一体化的新型高温陶瓷透波材 料。目 前，研 究 重 点 集 中 到 复 相 陶 瓷 上。 陶瓷具有良好的高温力学性能、热稳定性、抗氧化、高硬度、低密度、高强度等特性，但介电性能差，热导率高。硬度高、耐高温、抗氧化（以下不6氧化） 、耐化学腐蚀、自润滑、可加工性好，特别是热导率低（） ） 、透波性能优异（介电常数，介电损耗（）
18、 ） 、耐热温 度 更 高 （熔 点 高 达，氮 化 硅 则 为） 。 复相陶瓷可结合两种陶瓷的优点，满足新一代常规机动地地导弹导引头材料的使用要求。 复相陶瓷的主要研究单位有山东工业陶瓷研究设计院和国防科技大学。山东工陶院研制的改性氮化硅烧结陶瓷，以氮化硅粉 （ 质量分数大于，含有微量的、等，余量为 ，平均粒径）为主要原料， 、 为烧结助剂，为了提高抗热冲击性能和介电性能并降低热导率，在配方中加入了粉料（六方质量分数大于， 小于，含有微量的、等元素）和一种纳米陶瓷粉。成型过程为：无水乙醇作为分散剂，氮化硅作为研磨介质球磨混合；冷等静压成型；在气氛压力烧结炉中烧结，烧结温度为，保温；冷加工及抛
19、光处理。材料性能大致为：密度 ，线胀系数 ，热导率（） 、抗弯强度。目前存在的主要问题是抗冲击性能差，断裂韧性 仅为 ，制作大型薄壁件工艺难度大11。国防科技大学选用石英纤维增强含硼 陶瓷复合材料，实质上是石英纤维增强 陶瓷复合材料。石英纤维编织物浸渍含硼聚硅氮烷先驱体，然后高温裂解转化成 陶瓷基体，反复浸渍裂解，最终得到致密的石英（ ）复合材料。其出发点是用连续纤维提高纯陶瓷材料的抗冲击韧性，材料的具体性能未见报道。西安航天复合材料研究所从“九五”末期开始进行高性能耐高温透波材料研究，研制的高硅氧增强甲基硅树脂透波复合材料的性能列于表12。室温 材料的介电常数较小，材料透波率高于。研制的材料
20、 稍微偏高，是因为高硅氧纤维的偏高所致，可以用石英纤维代替高硅氧纤维作为增强体来降低。表是石英纤维增强有机硅材料的介电性能测试结果，比高硅氧甲基硅树脂介电性能更好。 偏高的另一个原因是材料研制受工作环境污染，引入了杂质。西安航天复合材料研究所研制的高硅氧增强甲基硅树脂透波复合材料随着温度的升高介电常数呈下降趋势，透波率呈上升趋势，介电性能随温度升高变化不明显。这些特点对透波材料的应用非常有利，不用担心材料在快速升温时厚度方向较大的温度梯度引起介电性能差异较大，影响透波罩正常工作，使材料设计变得简单。73 结束语从天线罩材料设计要求来看，许多陶瓷材料尤其是复合或复相陶瓷材料，能够满足天线罩对材料
21、性能的要求。由于不同的天线罩对材料性能的要求不同，因此，研究并积累各种陶瓷材料的性能数据，尤其是电气性能、抗热震性及耐烧蚀性能数据，以适应天线罩设计部门的需要是十分必要的。开展低成本、高性能、耐高温的陶瓷基复合材料，尤其是纤维增强及立体纤维编织增强陶瓷基复合材料（兼顾隐身及防潮功能）是今后耐高温透波材料的发展方向。参考文献1 张大海，黎义，高文，等高温天线罩材料研究进展 宇航材料工艺， 31 （）：82 彭望泽防空导弹天线罩 北京：宇航出版社，3 胡连成，黎义，等俄罗斯航天透波材料现状考察 宇航材料工艺，4（）：4 ，（）：5 ， ， ， ：， 6 ， ， r ：，：7 宋麦丽，崔红，王涛，等天线罩透波材料研究 功能材料，（）：8 于翘材料工艺（下册） 北京：宇航出版社，9 孙银宝，张宇民，韩杰才耐高温透波材料及其性能研究进展 宇航材料工艺，（）：10 张键，黎义，张大海，等 基复合材料的防潮研究中国力学学会.第十一届全国复合材料学术年会论文集合肥：中国科技大学出版社，：11 张俊宝，温广武，贾德昌，等硅氧氮陶瓷的先驱体法合成及性能的研究 航空材料学报，（）：12 宋麦丽，崔红，闫联生，等高硅氧有机硅透波材料介电性能实验分析 固体火箭技术，（）：
