航天透波材料研究进展

航天透波材料研究进展（精选6篇）

篇1：航天透波材料研究进展

航天透波材料最新研究进展

介绍了介质中电磁波传输的基本理论,综述了航天透波材料在国内外的研究现状及应用需求,分析了在不同使用温度、飞行马赫数、高温飞行时间等特殊环境下材料的性能,在此基础上提出了透波材料的发展方向.

作 者：艾涛 王汝敏 作者单位：西北工业大学应用化学系,西安,710072刊 名：材料导报 ISTIC PKU英文刊名：MATERIALS REVIEW年，卷(期)：18(11)分类号：关键词：天线罩 透波材料

篇2：航天透波材料研究进展

简要介绍了高温陶瓷透波材料的.研究进展,对比了陶瓷透波材料和高分子有机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.

作 者：闫联生 李贺军 崔红 作者单位：闫联生,李贺军(西北工业大学材料学院,西安,710072)

崔红(陕西非金属材料工艺研究所,西安,710025)

篇3：航天透波材料研究进展

1 氮化物陶瓷

用于透波材料的氮化物陶瓷主要是氮与硅、硼、铝的化合物,另一类是在氮化硅中固溶有铝和氧,但仍保持Si3N4结构的氮化物陶瓷,常称为赛隆(Sialon),即硅-铝-氧-氮(Si-Al-O-N)陶瓷[9]。氮化物系陶瓷材料物理性能如表1所示[10,11,12,13,14,15,16]。

1.1 氮化硅陶瓷及其复合材料

氮化硅(Si3N4)是共价键化合物,属六方晶系,有α-晶型和β-晶型两种结构。两种晶型的化学成分和密度相同,均是六方体。不同的是α-晶型晶胞的c轴长度大约是β-晶型的2倍。由于Si-N高度共价的化学键结合强度高,属难烧结物质。根据制备方法的不同,将氮化硅陶瓷分为反应烧结氮化硅陶瓷(RBSN)和热压烧结氮化硅陶瓷(HPSN)两类[9]。结合表1的几种材料的性能比较,可以看出氮化硅具有相对较好的综合性能,即强度高、耐高温、耐雨蚀、抗热震和适中的相对介电常数。因此,以氮化硅为基本组成的陶瓷材料已经受到高温透波领域研究者的普遍关注[17,18,19,20,21,22],并成为西方各国研究的重点之一。

早在20世纪80年代初,美国Raytheon公司与麻省理工学院合作开发出反应烧结氮化硅天线罩样件,但其电性能未见报道。美国Boeing Aerospace公司[23]利用反应烧结氮化硅制备了多倍频宽带天线罩。罩壁结构分为两层,内层较厚,为低密度氮化硅,可以提供足够的抗弯强度;外层较薄,为高密度氮化硅,可以提供良好的抗雨蚀和防潮性能。美国空军[24]开发了一种氮化硅宽频天线罩,罩体分为前、中、后3个部分,前部密度为0.75~1.0g/cm3,后部密度为1.6~2.0g/cm3,中部密度介于二者之间。该天线罩使用了一种能够在高温下升华的填料,从而在氮化硅材料中形成多孔结构,通过控制加入填料的剂量来调节各部位的密度。以色列的J.Barta等[25]开发出一种氮化硅材料天线罩,其外层为致密氮化硅,密度2.8~3.2g/cm3,内部为多孔结构氮化硅,密度1.0~2.2g/cm3,机械强度较高,抗雨蚀、耐烧蚀,相对介电常数为2.5~8.0,介电损耗角正切小于3×10-3。日本的Tomoji Goto[26]采用Y2O3为烧结剂制备出氮化硅多孔透波材料,材料孔隙率40%~55%,弯曲强度最高196MPa,相对介电常数为2.7~3.3,介电损耗角正切为0.05~0.10。国内邹强[27]以纳米氮化硅粉体为主要原料,采用堇青石和锂辉石为烧结助剂,制备出氮化硅天线罩材料,其弯曲强度为160MPa,相对介电常数为4.0~5.0,介电损耗角正切为0.005~0.007。毕江雨[28]采用气氛压力烧结工艺,制备出多孔氮化硅陶瓷,并研究了使用不同烧结助剂对其性能的影响。使用La2O3助剂力学性能更好,而使用Sm2O3助剂时,介电性能更好,相对介电常数为3.97。

注: HPSN热压氮化硅;RBSN反应烧结氮化硅;HPBN热压氮化硼;IPBN各向同性氮化硼

各国也针对氮化硅基透波复合材料开展了相应研究工作。美国的David G. Paquette等[7]将Si3N4、BN、SiO2和氧化物烧结助剂(Y2O3和Al2O3)粉末热等静压成型得到整体式天线窗,其密度为2.4~2.9g/cm3,拉伸强度为138~290MPa,热膨胀系数为(2.5~4.0)×10-6/K,相对介电常数为4.5~7.0,介电损耗角正切小于0.01,抗雨蚀、耐高温烧蚀性能好。研究还发现,原料组分含量对材料性能影响显著,最佳配比(质量分数)为22%SiO2+23%BN+46%Si3-N4+8%Y2O3+1%Al2O3,该材料可用于制备高超音速导弹天线罩。Douglas W. Freitag等[29]研制了一种BAS(BaCO3、Al2O3、SiO2)原位增强氮化硅耐高温透波复合材料,其中氮化硅含量为50%~90%(体积分数),弯曲强度为345~620MPa,相对介电常数为7.0~8.0。山东工业陶瓷研究设计院的张伟儒等[30]采用气氛压力烧结工艺,研制出高性能透波Si3N4-BN基陶瓷复合材料;研究了BN含量对复合材料力学和介电性能的影响规律,含有30%BN(质量分数)的Si3N4-BN复合材料,其室温抗弯强度为160MPa,相对介电常数为4.0左右;制备了BN短切纤维和连续BN纤维三维编织体增强的Si3N4复合材料。随着BN短切纤维含量的增加,复合材料气孔率增加,强度下降,而断裂韧性和抗热震性明显提高;对连续BN纤维三维编织体增强的Si3N4复合材料,断裂韧性可达5.1MPa·m1/2,并且具有优良的透波性能,在3~6GHz、16~18GHz波段透波率超过85%[10]。西北工业大学的刘谊[31]采用化学气相渗透法制备颗粒增韧氮化硅透波复合材料,分别以硅溶胶和树脂作为粘结剂与氮化硅粉混合造粒,模压成疏松多孔的颗粒预制体,通过Cl4-NH3-H2反应体系,在预制体中沉积氮化硅基体,制备出Si3N4P/Si3N4透波复合材料,结果表明复合材料最高强度为94MPa,相对介电常数为4.1~4.9。国防科技大学针对颗粒和纤维增强氮化硅基透波复合材料均开展了相应研究。采用反应烧结法制备氮化硅基复相陶瓷材料,材料的弯曲强度和断裂韧性分别为96.7MPa和1.80MPa·m1/2,比热和热导率分别为0.72J/(g·K)和3.40W/(m·K),相对介电常数为3.8~3.9,介电损耗角正切的最小值约为2×10-3,最大值约为1.5×10-2[32]。采用先驱体浸渍裂解工艺制备的石英纤维增强氮化硅基复合材料力学性能和高温介电性能均十分优异[33,34,35]。

1.2 氮化硼陶瓷及其复合材料

氮化硼(BN)是共价键化合物,有六方和立方两种晶型。六方晶系氮化硼具有类似于石墨的结构,具有润滑性且硬度低,被称为“白石墨”;立方晶系氮化硼与金刚石硬度相近,但比金刚石更耐高温和更抗氧化[9]。氮化硼陶瓷相对氮化硅陶瓷,具有更好的热稳定性和更低的相对介电常数、介电损耗,是为数不多的分解温度高达3000℃的耐高温化合物之一,而且在很宽的温度范围内具有稳定的热、电性能[36,37],但是其强度和弹性模量偏低、热导率较高、抗雨蚀性差,且由于制备工艺限制难以制备较大尺寸构件[38]。因此,单纯的氮化硼陶瓷不宜用作高马赫数天线罩透波材料,与其它材料复合是其研究的主要方向。

Thomas M.Place等[39,40]采用硼酸浸渍烧成法制备了三维正交氮化硼纤维织物增强氮化硼基复合材料(3D BNf/BN)。该材料经1700℃后处理和1800℃热压,密度为1.5~1.6g/cm3,弯曲强度为40~69MPa,相对介电常数为2.86~3.19,介电损耗角正切为0.0006~0.003(9.375GHz)。将此复合材料浸渍二氧化硅先驱体,经烧结热压后,可以制得3D BNf/BN-SiO2复合材料,基体组成(质量分数,下同)为(2.4%~17.9%)SiO2、(3.9%~15%)BN,密度为1.6g/cm3,相对介电常数为3.20~3.24,介电损耗角正切为0.0009~0.001(9.375GHz)。李斌[3]设计与合成了有机先驱体,采用PIP工艺,制备了三维石英纤维编织物增强氮化物透波复合材料(3D SFRN),基体以氮化硼为主要成分,并含有少量的氮化硅,保证其耐高温、耐烧蚀性能、介电性能和足够的力学性能。不同工艺条件制备的3D SFRN复合材料的介电性能优异且较稳定,相对介电常数为3.31~3.34,介电损耗角正切为(3.8~4.9)×10-3。

1.3 氮化铝陶瓷及其复合材料

以氮化铝(AlN)为主要成分的陶瓷称为氮化铝陶瓷。氮化铝属于六方晶系纤锌矿结构,其N原子为六方密堆结构,而Al原子占据1/2四面体位置[9]。氮化铝也是一种性能优异的耐高温透波材料[41]。美国Martin Marietta公司的J.J.Gebhardt[42]以乙基铝烷和氨气为原料,在较低温度下制备了高纯度的氮化铝天线窗材料,并申请了美国专利。由于氮化铝热导率、相对介电常数较高,目前未见单相的氮化铝陶瓷在导弹上的实际应用报道。国内的吴洁华等[43,44,45]用热压烧结法制备了SiO2-AlN复相陶瓷,相对介电常数为4.1,介电损耗角正切为9.0×10-4(1MHz)。李晓云等[46]采用热压烧结工艺制备了一系列BN含量为0%~30%的BN-AlN复合陶瓷材料,BN含量为20%的样品,相对介电常数为8.5,介电损耗角正切为0.000683(1MHz)。越海洋[47]采用热压烧结法,添加3%CaF2-3%Y2O3复合烧结助剂,制备出85%AlN-15%BN复合陶瓷,其热导率为110W/(m·K),相对介电常数为7.53,介电损耗角正切为6.36×10-4(1MHz)。

1.4 赛隆陶瓷

在热压氮化硅中加入氧化铝,β-Si3N4晶型晶格中的Si4+和N3-可被Al3+和O2-所取代。以(Si,Al)、(O,N)四面体为结构单元形成一系列包括玻璃相和金相的新材料,称为赛隆(Sialon)[9]。它兼具氮化硅、氧化铝、氧化硅等数种陶瓷的特性,并可通过改变其中某组分的含量来对材料的整体性能进行设计。其中,用作透波材料的主要是β-Sialon,它具有与β-Si3N4相同的晶体结构,但介电性能和烧结性能均比β-Si3N4有所提高[14,15,16]。

美国的General Dynamics公司开发了一种天线罩材料(GD-1),其组成为Si6-zAlzOzN8-z(z≈2)。该材料综合性能优异,从室温到1000℃时,相对介电常数为6.84~7.66,介电损耗角正切为0.0013~0.004(10GHz),最高使用温度为1510℃,并采用美国橡树岭国家实验室开发的注凝成型工艺,实现了构件的近净成型,成功制备出全尺寸的“Amraam”和“Standard”导弹天线罩[48,49]。Lockheed Martin公司的G.C.Dodds等[6,50]用热压烧结工艺制备了BN颗粒增强Sialon材料,基体组成为Si6-zAlzOzN8-z(z=3或4),含量为25%的BN均匀分布在Sialon基体中。其中z=3时复相陶瓷的密度为2.74g/cm3,断裂强度为309.7MPa,热膨胀系数为2.65×10-6K,相对介电常数为6.62~7.67,在室温到1000℃范围内,介电损耗角正切为0.0032~0.0144(35GHz),可用于制备耐高温天线罩。Ganesh等[51,52]分析了化学组成和烧结工艺对β-Sialon各项性能的影响规律,研究结果表明,Si6-z-AlzOzN8-z中z值增大、烧结温度升高,促进材料中β-Sialon相形成,材料密度、晶粒粒径和相对介电常数增大,吸水率、孔隙率、弯曲强度降低。运用固相体积分数为48%,含α-Si3N4、α-Al2O3和Y2O3 3种粉末的浆料,通过凝胶注模成型工艺,在1750℃保温烧结4h,制备了β-Si4Al2O2N6-0.5SiO2陶瓷,其中β-Sialon相约为90%,密度为3.13g/cm3,弯曲强度和断裂韧性分别为199MPa和3.42MPa·m1/2,相对介电常数为6.32(17GHz)。

2 结语

(1)国内外在氮化物系高温透波材料方面投入研究很大,且主要集中在氮化硅系复合材料,近30年来已取得很大进展。进一步探索氮化硅和氮化硼的复合机理和工艺,改善其单独作为天线罩材料的不足,是扩大氮化物系耐高温透波材料领域的必然发展趋势。

(2)由于国内外氮化硼、氮化硅透波纤维还处于研制阶段,氮化物系高温透波材料多采用颗粒(晶须)增强和复相陶瓷。连续纤维增强具有更强的优势,能够同时提高复合材料的强度和抗热震性能。因此,大力发展商品化的氮化硼、氮化硅透波纤维非常必要。

(3)氮化物系高温透波材料多采用烧结法制备,工艺简单、成熟,但制品抗冲击性能偏低。采用先驱体浸渍裂解法制备工艺,其制备温度较低,材料的综合性能较好,有望满足超高速导弹天线罩的要求,是制备工艺的重要发展方向之一。

摘要：综述了氮化物系陶瓷透波材料的国内外研究现状,重点介绍了各种氮化物陶瓷材料的力学、电学和热物理性能,并比较了其优缺点,展望了高速导弹天线罩用氮化物系高温透波材料的研究重点和发展方向。

篇4：从哥伦比亚号谈航天材料

哥伦比亚航天飞机的爆炸，震惊了世人，同时也引起了人们对航天材料的关注。为此，本刊特邀航天科工集团第二研究院研究员刘松茂给大家讲讲航天材料的特殊性。

材料的种类有很多，不同的材料有不同的用途，如何既经济又适用地选用材料是一门艰深的学问，这一点往往因人们的忽视或无知，带来许多灾难性的后果，如火箭爆炸、飞机坠毁、火车出轨、楼房倒塌……物毁人忘，损失无法估计。

什么是材料？

辞海中给材料下的定义是这样的：经过人类劳动取得的劳动对象称为原料，把经过工业加工的原料如钢材水泥等称作材料。而材料专家们则这么说：材料是人类进化与文明的重要里程碑。在当今世界新技术革命浪潮中，材料、能源和信息被誉为文明的三大支柱。

航天材料有什么特点？

在众多材料中，航天材料的种类非常多。由于火箭、导弹和卫星的种类很多，它们各自的需求不同，因此所用的材料也是五花八门的，液体、固体、气体、黑色金属、有色金属、各种非金属、超塑材料、复合材料，多达数千种。但这么多的材料，选择起来的要求却非常苛刻。有些要求能抗高温、抗高压，如发动机推进剂药柱燃烧时会产生3000℃以上的高温，6Mpa的高压，瞬时产生2500℃的温差热冲击，这就要求发动机的材料具有耐高温、高压的性能。有的火箭使用液氢液氧作推进剂，这样火箭储存罐的材料就需要能够承受超低温，还要抗腐蚀、抗烧蚀。而象潜地导弹的选材则必须能够承受巨大的水下载荷，同时还要具有隐身性能好，抗干扰性强，可耐受恶劣环境等特点。

此外，对某些材料的细节要求也非常严格。如结构材料的微观结构、晶粒度、夹杂；功能材料的功能参数灵敏度；精密合金材料的导磁率、矫顽力、剩磁；电绝缘介质的电阻率、击穿强度、损耗、介电常数；微波复合材料的透泼性和吸收性；密封灌注材料的密封性；粘合剂的粘合强度等都有极细致的要求。

为什么要重视对航天材料的选用？

航天材料的选用需要非常慎重。一发火箭、导弹、卫星往往上亿元，如果选材不当造成发射失败，损失无法估量。1986年1月美国航天飞机挑战者号在进行第10次飞行时，右侧固体发动机后部连接处密封材料失效，液体外漏，导致升空73秒后爆炸。7名机组成员全部遇难。

美国某公司的一名技工曾把一枚废旧的铆钉装在航天飞机上，被发现后，这家公司被罚款一亿美元，而这名技工则被判了20年徒刑。

我国1991年12月28日发射的东方红2号甲通讯卫星就是因为一个小小的继电器中残留有金属屑而导致失效。

可见航天材料的选取是非常重要的。航天技术是复杂的系统工程，它应用现代科技众多领域的最新成就，是科学技术与国家基础工业紧密结合的产物。如果没有基础材料的慎重选取为基础，其它的一切努力都可能毁于一旦。前不久，哥伦比亚号航天飞机的惨剧再次提醒我们重视这一问题。

如何测试航天材料的性能？

为了确保航天材料的性能能够符合要求，我国航天部门曾专门下文件要求加强材料复验工作，为此还专门制订了金属材料和非金属材料两项复验标准，对生产厂家出厂合格的材料还要进行复验。除了常规的测试项目外，对有特殊要求的材料，还要研制特殊的设备进行测试。下面仅简述一下各种材料的测试方法：

篇5：航天透波材料研究进展

课程编号： 01z8103 课程名称： 材料现代研究方法

英文名称： Modern Analysis Methods in Materials Science and Engineering 学分学时： 4/54+16°

先修课程： 物理化学，物理冶金原理，材料工程基础 一．课程教学目标

本课程是材料科学与工程系的一门必修的专业基础课，目的在于培养学生掌握材料Ｘ射线衍射分析、电子显微分析、差热分析技术(DTA)、差示扫描量热技术(DSC)、热重分析技术(TG)、动态力学分析技术(DMA)、动态力学分析技术(DMA)以及红外光谱(IR)和核磁共振波谱（NMR）所必需的基本理论、基本技能。通过学习本课程，学生应达到如下基本要求：

1、了解Ｘ射线衍射、电子衍射和电子显微分析在材料科学领域中所能解决的问题及基本原理和方法。

2、读懂一般专业文献中有关Ｘ射线衍射、电子显微分析的图象和结论。

3、能与从事Ｘ射线、电子衍射工作的专业人员共同制定在材料科学研究方面的实验方案和分析实验结果。

4、为今后从事Ｘ射线、电子显微分析工作打下初步基础。

5、了解差热分析技术、差示扫描量热技术、热重分析技术、动态力学分析技术、动态力学分析技术、红外光谱以及核磁共振波谱在材料科学领域中所能解决的问题及基本原理和方法。

二．教学内容及基本要求

本课程主要介绍Ｘ射线晶体结构分析方法、物相定性和定量分析的方法、内应力的测定方法；电子衍射花样的分析及透射电镜、扫描电镜、电子探针、俄歇电子能谱仪的结构原理及分析方法；差热分析技术、差示扫描量热技术、热重分析技术、动态力学分析技术、动态力学分析技术、红外光谱以及核磁共振波谱的基本原理和方法。

1、电子及Ｘ射线的性质(2学时)

2、晶体的衍射效应及衍射几何(5学时)2.1 可见光的光栅衍射现象

2.2 Ｘ射线衍射的基本理论（劳埃方程、布拉格方程、倒易点阵、衍射矢量方程及爱瓦尔德图解）

2.3 薄晶体的电子衍射（单晶体、多晶体电子衍射花样）

3、Ｘ射线和电子衍射的强度(4学时)3.1 一个电子对Ｘ射线的散射

3.2 一个原子对Ｘ射线的散射

3.3 一个晶胞对Ｘ射线的散射

3.4 结构因素或结构振幅的计算

3.5 一个小晶体的衍射

3.6 粉末衍射的积分强度

4、Ｘ射线衍射分析设备(2学时)4.1 Ｘ射线晶体分析仪

4.2 Ｘ射线衍射仪

4.3 Ｘ射线设备的新进展

5、电子显微镜(4学时)5.1 电子光学基础

5.2 透射电子显微镜

5.3 扫描电子显微镜

5.4 试样制备 5.5 电子显微镜的新发展

6、多晶体Ｘ射线衍射和单晶体电子衍射花样指数标定(4学时)6.1 Ｘ射线粉末衍射花样指数标定和晶体结构测定原理

6.2 电子衍射与电子衍射仪

6.3 电子显微镜中的电子衍射

6.4 单晶体和多晶体电子衍射花样指数标定

7、物相分析(4学时)7.1 Ｘ射线物相定性分析

7.2 Ｘ射线物定量分析

8、内应力的测定(3学时)8.1 Ｘ射线法测定宏观内应力的原理

8.2 测量方法及测量技术

9、扫描电子显微镜和透射电子显微镜成像原理(4学时)9.1 扫描电子显微镜成像原理（二次电子像、背散射电子像、吸收电子像）

9.2 透射电子显微镜成像原理（复型像、衍射衬度像）

10、材料化学成分的物理分析方法(4学时)10.1 电子探针Ｘ射线显微分析

10.2 俄歇电子能谱分析

11、差热分析技术(DTA)(3学时)11.1 差热分析技术的发展简史

11.2 差热分析技术的测试原理

11.3 差热分析技术的结构组成和影响DTA曲线的因素

11.4 差热分析技术的一般应用

12、差示扫描量热技术(DSC)(3学时)12.1 差示扫描量热技术简况

12.2 差示扫描量热技术的测试原理

12.3 差示扫描量热技术结构组成及其能量和温度的校正 12.4 差示扫描量热技术的应用

13、热重分析技术(TG)(3学时)13.1 热重分析技术概况

13.2 热重分析技术的测试原理与结构组成 13.3 热重曲线的影响因素与误差来源 13.4 热重分析技术的应用

14、动态力学分析技术(DMA)(3学时)14.1 动态力学分析技术概述 14.2 动态力学分析技术的基本原理 14.3 几种常用的测试方法和仪器

14.4 动态力学分析技术的应用

15、红外光谱(IR)(4学时)15.1 概述

15.2 红外吸收光谱的基本原理 15.3 红外光谱图谱解析方法 15.4 红外光谱的应用

16、核磁共振波谱（NMR）（2学时）16.1 基本原理

16.2 化学位移及其影响因素 16.3 图谱解析 16.4 应用 三．教学安排及方式

本课程的理论课为54学时，实验课为16学时。本课程课内外学时比例为1：1。

本课程共开设9个实验，一次观看录象。实验课： 共15学时

1、介绍X射线分析仪及德拜相分析(2学时)

2、X射线物相定性分析(2学时)

3、X射线物相定量分析(2学时)

4、扫描电镜与扫描图象观察(1.5学时)

5、能谱仪结构原理及应用(1.5学时)

6、差热分析技术(1学时)

7、差示扫描量热技术(1学时)

8、热重分析技术(2学时)

9、动态力学分析技术(2学时)看录象： 电镜样品的制备(1学时)作业：第一章到第四章为本课程的基本理论部分，因此每章后留若干道课外作业，以便加深学生理解。四．考核方式

笔试

五．参考教材

材料电子显微分析，魏全金编，冶金工业出版社，1990年 X射线金属学，范雄编，机械工业出版社，1980年

材料近代分析测试方法，常铁军编，哈尔滨工业大学出版社，1999年

篇6：航天透波材料研究进展

1 高温透波材料的研究进展

透波材料多作为飞行器的天线罩透波材料使用,天线罩透波材料经历了从有机材料到陶瓷材料、从陶瓷材料到陶瓷基复合材料的发展过程。有机透波材料由于耐高温性能较差,不适用于高速度飞行器,因此只有陶瓷材料及其复合材料才能满足高速度飞行器的使用要求。

1.1 陶瓷材料

陶瓷透波材料主要包括Si和Al的氧化物、氮化物及氮化硼,以及由上述物质组成的复相陶瓷等。部分陶瓷透波材料的基本性能如表1所示[1,2,3,4]。由表1可以看出,陶瓷透波材料普遍具有透波性能好、耐高温和力学强度高的优点,但其也存在热导率偏高的缺点。如目前较为广泛使用的石英陶瓷(SCFS),其介电常数和介电损耗很低,对温度和电磁波频率十分稳定,热膨胀系数低。因此,石英陶瓷能满足再入环境条件下的热绝缘和抗热冲击的特性要求,同时它还具有较高的透波率,是一种综合性能比较优异的天线罩透波材料[5]。由于石英陶瓷材料一般含有5%～10%的气孔,因此室温强度低,且易吸潮,抗雨蚀性差,单独使用时无法满足高马赫数导弹天线罩的使用要求[6]。虽然石英陶瓷的热导率仅为0.8 W/(m·K),是陶瓷透波材料中热导率最低的材料,但仍不能满足飞行器高温长时间飞行时的隔热要求。

1.2 陶瓷基复合材料

由于陶瓷材料本身存在韧性和可靠性不足的缺点,因此人们对各种陶瓷材料进行优化设计,制备出整体性能更为优异的陶瓷基透波复合材料。陶瓷基透波复合材料按基体的成分不同主要可分为氧化物基、磷酸盐基及氮化物基等系列。表2为部分陶瓷基透波复合材料的基本性能。

1.2.1 氧化物基透波材料

虽然石英陶瓷具有优异的介电性能,但其也存在抗雨蚀性能、力学性能较差的缺点,为此人们通过各种增强方式来提高石英陶瓷材料的断裂韧性和可靠性。连续纤维增强陶瓷基复合材料具有强度高、韧性好、密度低等特点,因而受到广泛关注。M.Favaloro等[7]制备了三维石英纤维织物增强二氧化硅复合材料AS-3DX,材料的介电常数为2.88,介电损耗为0.006(5.841GHz,25℃)。国防科学技术大学宋阳曦[8]采用溶胶-凝胶工艺,通过浓缩硅溶胶并引入手糊成型工艺和模压工艺,制备了二维石英纤维织物增强石英基(2D SiO2f/SiO2)复合材料,其介电常数为2.61～2.64,损耗角正切为0.0016～0.0019,热导率为0.35～0.37W/(m·K),由此可见这类材料的透波性能优异,但是热导率仍然偏高,高温隔热性能有待改善。

1.2.2 磷酸盐基透波材料

磷酸盐基复合材料一般是由布块或织物经磷酸盐溶液浸渍后加压固化而得,目前在航天透波材料领域获得应用的主要有硅质纤维增强磷酸铝、磷酸铬及磷酸铬铝复合材料[11]。磷酸盐基复合材料具有耐高温、高强度、介电性能优异、抗氧化、结构可设计性良好以及热膨胀系数小的特点,而磷酸盐的最大缺点是吸湿性很强,一般通过在材料表面涂覆有机涂层以达到防潮的目的。吕震宇[9]利用传统的无压烧结技术制备出硼酸铝晶须增强磷酸铝陶瓷基透波复合材料,材料的弯曲强度为215.3MPa,介电常数和介电损耗分别在2.80～4.45和0.00826～0.0340范围内。

1.2.3 氮化物基透波材料

采用氮化硅、氮化硼制备的复合材料具有更稳定的热物理性能和更好的力学性能[12]。国防科学技术大学姜勇刚[13]采用先驱体转化法制备出新型天线罩材料——2.5D石英纤维增强氮化物复合材料,在测试频率(9.375GHz)下,材料在室温的介电常数和介电损耗分别为3.24、0.004,25～400℃时的比热容为0.89～0.95kJ/(kg·K),热导率为1.1～1.2 W/(m·K),可以看出该材料的透波性能较好,但是热导率较高。

结合表1和表2可以看出,现有透波材料的透波性能较好,热导率较高。陶瓷透波材料中热导率最低的材料为石英陶瓷,陶瓷基复合材料中二维石英纤维织物增强石英基复合材料的热导率为0.35W/(m·K),该热导率虽然在天线罩材料中较低,但是对于飞行器中的无线电设备在飞行器高速度长时间飞行时的隔热环境,这些材料的隔热性能仍然不能满足隔热需求。因此,应从隔热性能好的高温隔热材料入手,研究这些材料的透波性能,以期找到在高温下同时具备良好隔热性能和透波性能的材料。

2 高温隔热材料的研究进展

隔热材料可分为传统隔热材料和超级隔热材料。目前,应用在航天飞行器的传统隔热材料主要包括有机和无机两大类[14],而有机隔热材料由于耐高温性能一般,因此不能用作高温隔热材料。在超级隔热材料中现在研究较为广泛的是SiO2气凝胶隔热材料。

2.1 无机隔热材料

现有的无机隔热材料种类很多,主要包括以下几种:各种岩(矿)棉、各类纤维毡、陶瓷隔热瓦。岩(矿)棉具有质轻、吸声性能好、吸湿率低、不燃、绝缘性较好等特点[15]。岩棉热导率较低,常温下导热系数为0.0224～0.03W/(m·K),隔热性能好;并且岩棉以精选的玄武岩或辉绿岩为主要原料,因此可能具有良好的透波性能。岩棉的使用温度不高,最高使用温度为650℃。纤维毡主要有硅酸铝纤维、多晶莫来石纤维、石墨和石炭纤维等。硅酸铝纤维具有质轻、耐高温、化学和热稳定性好的特点[16],使用温度为1000～1400℃,导热系数为0.03～0.22W/(m·K),隔热性能好,但在高温下热导率增大得较快。硅酸铝纤维的主要成分为SiO2和Al2O3(超过96%),含水率也非常低(低于0.25%),因此其可能具有好的透波能力。多晶莫来石纤维具有高强度、高模量、耐温性能好、抗蠕变和抗热震性好、隔热性能好的特点,其使用温度在1500℃左右[17],1250℃时导热系数为0.22W/(m·K),高温下热导率也偏高。多晶莫来石纤维的主要成分为SiO2和Al2O3,因此其应该具有较好的透波能力。石墨和石炭纤维等具有优良的柔性和弹性,隔热性能好,高温稳定性好,1500℃时导热系数为0.14W/(m·K);但由于其主要成分为碳,因此透波性能不佳。陶瓷隔热瓦孔隙率高,密度低,在高温下具有稳定的形状和一定的强度,同时具有优良的辐射散热、隔热、抗冲刷和保持气动外形的特点。国防科学技术大学王康太[18]以莫来石纤维为骨架,B4C粉为烧结助剂,硅溶胶为高温粘结剂,可溶性淀粉为临时粘结剂,通过模压成型,经干燥、烧结制备出陶瓷纤维刚性隔热瓦,该隔热瓦在200℃时热导率为0.063W/(m·K),在700℃时热导率为0.097W/(m·K),具有较好的隔热性能。莫来石纤维的主要成分为石英和氧化铝,本身应该具有较好的透波性能,但由于加入了B4C粉和可溶性淀粉,使得材料会含有少量的碳成分,可能会对其透波性能产生不利影响,因此对陶瓷隔热瓦的透波性能还有待进一步深入研究。

2.2 SiO2气凝胶

SiO2气凝胶是由纳米级SiO2微粒相互连结而成的具有三维网络结构的一种纳米多孔材料,其所含基本粒子和孔的直径均在纳米级,孔径在10～50nm之间,孔隙率可高达99%,表面积高达600～1000m2/g,密度最低可达3kg/m3,是目前已知固体材料中最轻的物质。

SiO2气凝胶的纳米级孔可显著降低气体分子的热传导和对流传热,纤细的骨架颗粒可显著降低固体热传导,因此其热导率极低,常温下仅为0.013W/(m·K),被认为是热导率最低的固体材料[19]。

目前,SiO2气凝胶的一般制备工艺如下:首先通过溶胶-凝胶工艺形成连续的纳米量级的凝胶网络结构,然后经超临界干燥除去凝胶骨架间纳米孔洞内的溶剂,最终得到SiO2气凝胶,其微观结构见图1[20]。

2.2.1 SiO2气凝胶的介电性能

随孔隙率的变化,SiO2气凝胶的介电常数在1.1～3.5之间可调[21]。目前,对SiO2气凝胶介电性能的研究主要是针对SiO2气凝胶薄膜,王娟等[22]采用MIS结构测量了SiO2气凝胶薄膜的介电性能,其介电常数可低于2.5,验证了薄膜的介电常数与孔洞率的计算公式,探讨了SiO2气凝胶薄膜的介电色散行为和介电极化机制,并指出了薄膜的低介电常数是其纳米多孔结构和疏水性能共同作用的结果。表3为测试的SiO2气凝胶薄膜的介电常数[22]。

通过研究SiO2气凝胶薄膜的介电性能可以看出,SiO2气凝胶有较低的介电常数,甚至低于绝大部分的陶瓷透波材料的介电常数,并且其损耗角正切值达到10-2数量级,因此其透波性能较好。

2.2.2 SiO2气凝胶复合材料

虽然SiO2气凝胶常温热导率只有0.013W/(m·K),比空气热导率还低,但由于其杨氏模量不到10MPa,抗拉强度只有16kPa,断裂韧度只有0.8kPa·m1/2,存在脆性大、力学强度低的缺点,因此SiO2气凝胶不能直接作为隔热材料。为此,一般用晶须[23]、短纤维[24]、长纤维[19]、硅酸钙[25]等作为增强相,制备气凝胶隔热复合材料。鉴于SiO2气凝胶具有较好的透波性能,因此如果采用透波性能好的无机陶瓷透波纤维作为SiO2气凝胶的增强相,既能使获得的复合材料具有较好的透波性能和隔热性能,同时也能弥补SiO2气凝胶力学强度低的缺点。

国防科学技术大学[26]、美国Aspen公司[27]分别采用溶胶-凝胶工艺和超临界干燥工艺,成功制备出纤维增强气凝胶复合材料。国防科学技术大学制备的复合材料,当其纤维表观体积密度约为0.15g/cm3时,材料的抗压强度为2.8MPa(50%ε),常温时的热导率为0.018W/(m·K),650℃时的热导率为0.022W/(m·K)。由于材料的介电性能与材料的主成分、含水量、含碳量及其它杂质成分等密切相关,因此需要对纤维增强SiO2气凝胶复合材料进行系统的研究。

3 高温透波隔热功能一体化材料的研究

随着航空航天技术的发展,越来越多的飞行器采用了高精度导引控制技术,而为了保证飞行器中的雷达导引头天线在飞行器飞行过程中能正常工作,需对其进行保护。目前,主要依靠天线罩对其进行保护,但随着飞行器不断地向着高速度、长航时的方向发展,单纯依靠天线罩的防热性能已不能保证雷达导引头天线正常工作时的温度环境,分析其原因主要是由于目前天线罩材料的热导率均偏高所致。解决此问题有两种方式:一种方式是降低天线罩材料的热导率,该方法目前比较难以实施;另一种方式是在天线罩内层再放入一层在高温下仍具有优异透波性能和隔热性能的高温透波隔热功能一体化材料,以弥补天线罩材料隔热性能不佳的缺点,同时又不影响雷达导引头天线的信号传输。

通过分析对比透波性能优异的天线罩材料和隔热性能优异的隔热材料发现,隔热材料的主要成分为SiO2和Al2O3且不含碳元素[28]、碱金属和碱土金属[29],其可能既有较好的隔热性能又有较好的透波性能。这类材料主要有以下几类:①硅酸铝纤维隔热材料,②多晶氧化铝纤维隔热材料,③多晶莫来石纤维隔热材料,④陶瓷隔热瓦材料,⑤SiO2气凝胶隔热材料,⑥SiO2-Al2O3气凝胶隔热材料。目前,对此类材料的研究主要都集中在隔热性能方面,对透波性能尚无相关文献报道。

4 结语