透波復(fù)合材料

1、透波復(fù)合材料1 .引言利比亞戰(zhàn)爭中以美國為首的多國部隊(duì)動(dòng)用了大量先進(jìn)的隱形戰(zhàn)機(jī)和精確制導(dǎo)武器，如F16/F1&幻影2000、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈等，在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，就使得利比亞政府的通訊、交通、指揮等系統(tǒng)全部癱瘓?？梢姼黝悓?dǎo)彈在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮著重要的作用。作為重要的透波部件，天線罩位于導(dǎo)彈頭部，多為錐形或半球形，它既是彈體的結(jié)構(gòu)件，又是無線電尋的制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分1。在導(dǎo)彈飛行過程中，它既要承受氣動(dòng)載荷、氣動(dòng)熱等惡劣環(huán)境，又要作為發(fā)射和接收電磁波的通道，保證信號(hào)的正常傳輸，從而使導(dǎo)彈順利完成制導(dǎo)和引爆等任務(wù)。止匕外，為了減少導(dǎo)彈頭部氣動(dòng)阻力，天線罩還必須具有合適的氣動(dòng)外形1,2。因此，天線

2、罩能夠保護(hù)導(dǎo)彈的制導(dǎo)、通訊、遙測(cè)、引爆等系統(tǒng)在惡劣環(huán)境條件下正常工作，是一種集承載、導(dǎo)流、透波、防熱、耐蝕等多功能為一體的結(jié)構(gòu)/功能部件3,4。隨著導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)的不斷提高，處于導(dǎo)彈氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱最大最高位置的天線罩需承受的溫度和熱沖擊越來越高。新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的再入速度可高達(dá)幾十個(gè)馬赫，這使得導(dǎo)彈天線罩的工作環(huán)境日趨惡劣5o高溫透波材料研究的滯后是制約導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。因此，高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩熱透波材料必須具備良好的綜合性能，歸納起來，主要有以下幾點(diǎn)6：(1)力學(xué)性能優(yōu)良。斷裂強(qiáng)度和韌性高，可承受高馬赫數(shù)導(dǎo)彈高速飛行時(shí)縱向過載和橫向過載產(chǎn)生的剪力、彎矩和軸向力，且要具有一定的剛性，使其在

3、受力時(shí)不易變形。(2)介電性能優(yōu)異。介電常數(shù)4氐，損耗角正切值tg小。通常情況下，在0.3300GHz頻率范圍內(nèi)，天線罩材料的適宜介電常數(shù)蛇小于4,損耗角正切tg6在10-3數(shù)量級(jí)以下，這樣才能獲得較理想的透波性能和瞄準(zhǔn)誤差特性。(3)抗熱震性和耐熱性好。天線罩必須承受由于氣動(dòng)加熱引起的劇烈熱沖擊和高溫環(huán)境，高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩更要能承受20009以上的高溫。(4)經(jīng)得起雨蝕、粒子蝕、輻射等惡劣環(huán)境條件。(5)原料易得，易于加工，成本低廉等。2 .熱透波復(fù)合材料的分類相比于純陶瓷材料，陶瓷基復(fù)合材料的最大優(yōu)勢(shì)在于很高的抗熱沖擊性能和結(jié)構(gòu)可靠性，特別適用于高超聲速再入的熱力載荷環(huán)境。主要有兩類：二

4、氧化硅復(fù)合材料為了大幅度提高熱透波材料的抗熱沖擊性能，滿足高速再入環(huán)境條件需求，20世紀(jì)70年代末至80年代初，美國菲格福特公司(Philco-Ford)和通用電器公司(GeneralElectric)首先開展了石英纖維增強(qiáng)二氧化硅熱透波復(fù)合材料研究工作7-8,發(fā)展了材料制備工藝，比較全面地評(píng)價(jià)了材料綜合性能，但后續(xù)研究和應(yīng)用工作情況未見報(bào)道。國內(nèi)從20世紀(jì)80年代末開始石英纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料研究工作，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，突破了石英纖維制備、高純硅溶膠制備、增強(qiáng)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、織物編織、循環(huán)浸漬復(fù)合、防潮處理等一系列材料研制和工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)不同需求，研制出穿刺結(jié)構(gòu)、三向正交結(jié)構(gòu)、淺

5、彎交聯(lián)結(jié)構(gòu)等一系列具有優(yōu)良力學(xué)、介電、燒蝕和熱物理等綜合性能的熱透波材料及構(gòu)件，滿足了廣泛而重要的背景需求，材料體系也基本成熟，是目前國內(nèi)高性能熱透波材料的主要品種。磷酸鹽復(fù)合材料20世紀(jì)5060年代，從低成本需求出發(fā)，前蘇聯(lián)、美國和西德開始硅質(zhì)纖維織物增強(qiáng)磷酸鹽復(fù)合材料研究，其中比較具有代表性的是前蘇聯(lián)研制的磷酸銘鋁材料，可以170C低溫固化，1200C高溫使用90國內(nèi)從20世紀(jì)90年代末開始同類材料研究，突破了低溫固化高溫使用、介電性能調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，采用模壓工藝制備的材料獲得了少量型號(hào)應(yīng)用。磷酸鹽類熱透波材料具有明顯的低成本優(yōu)勢(shì)，但與其它熱透波材料相比，其介電和力學(xué)綜合性能較為普通，不適

6、合苛刻環(huán)境使用。熱透波復(fù)合材料的制備：3 .熱透波復(fù)合材料的制備10導(dǎo)彈天線罩等航天透波材料及構(gòu)件的制備工藝有許多種，從制備工藝的主要特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用角度來看，主要有燒結(jié)法、溶膠一凝膠（Sol-gel）法、化學(xué)氣相滲透（CVI）法和聚合物先驅(qū)體浸漬一裂解（PIP）法。此外，還有無機(jī)鹽浸漬固化工藝、注凝成型工藝、注漿成型工藝、原位生長法等。（1）燒結(jié)法燒結(jié)法主要用于高溫下制備陶瓷透波材料或顆粒增強(qiáng)的陶瓷基透波材料。常用方法主要包括反應(yīng)燒結(jié)法、氣壓燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法和熱等靜壓燒結(jié)法等。然而，透波陶瓷材料大多是典型的離子和共價(jià)化合物，低溫?zé)Y(jié)時(shí)難以致密化，并且由于燒結(jié)性能較差，導(dǎo)致其致密度和力學(xué)性能也

7、較差，而且混料及燒結(jié)過程中的不確定因素更限制了其優(yōu)異性能的發(fā)揮。因此，傳統(tǒng)的燒結(jié)方法難以制備高質(zhì)量的透波材料。溶膠一凝膠（Sol-gel）法11-13溶膠一凝膠（Sol-gel）法最初只用來制取氧化物陶瓷超細(xì)粉末，近年來已被應(yīng)用于制備陶瓷基復(fù)合材料。具一般工藝過程是：氧化物溶膠浸漬預(yù)制件（纖維織物或疊層布等其他多孔材料），經(jīng)干燥脫水，溶膠變成凝膠，然后在一定溫度下燒結(jié)成陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件。溶膠一凝膠法的主要特點(diǎn)是燒成溫度低，可制備大型復(fù)雜構(gòu)件且可實(shí)現(xiàn)凈成型。具缺點(diǎn)為凝膠陶瓷產(chǎn)率低，基體燒成收縮大，需反復(fù)浸漬一燒成，同時(shí)要有穩(wěn)定的、濃度合適的溶膠，且非氧化物的溶膠是難以制備。因此，此法目前主要

8、用于氧化物基特別是石英基透波復(fù)合材料的制備。(3)化學(xué)氣相滲透(CVI)法13-15化學(xué)氣相滲透(Chemicalvaporinfiltration,CVI)法起源于60年代中期，是在化學(xué)氣相沉積(Chemicalvapordeposition,CVD)法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其典型工藝過程是：將纖維預(yù)成型體置于CVI爐中，源氣通過擴(kuò)散或由壓力差產(chǎn)生的定向流動(dòng)輸送至預(yù)成型體周圍，然后向其內(nèi)部擴(kuò)散，氣態(tài)先驅(qū)體在孔隙內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積，使孔隙壁的表面逐漸增厚。CVI工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是：基體制備溫度低，故纖維受損傷小，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力小；能制備硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等多種陶瓷材料，并可實(shí)

9、現(xiàn)微觀尺度上的成分設(shè)計(jì)；在同一CVI反應(yīng)室中，可依次進(jìn)行纖維/基體界面、中間相、基體以及部件外表涂層的沉積；能制備形狀復(fù)雜和纖維體積分?jǐn)?shù)高的近尺寸部件。其不足之處主要有：基體的晶粒尺寸小，材料熱穩(wěn)定性低；基體的致密化速度慢，生產(chǎn)周期長，制備成本高；預(yù)制體的孔隙入口附近氣體濃度高，沉積速度大于內(nèi)部沉積速度，容易形成“瓶頸效應(yīng)”而產(chǎn)生密度梯度；制備過程中易產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕性產(chǎn)物。(4)聚合物先驅(qū)體浸漬一裂解(PIP)法161983年，日本的S.Yajima等提出了聚碳硅烷裂解制備SiC材料的路線，并使SiC纖維實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷材料的巨大潛力逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，迅速掀起了先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備陶

10、瓷材料的研究熱潮。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法開創(chuàng)了從有機(jī)物制備無機(jī)物的新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了陶瓷制備工藝的革命性創(chuàng)新，目前已經(jīng)在陶瓷微粉、陶瓷纖維、陶瓷薄膜、泡沫陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等方面取得了眾多成果。在先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷工藝中，聚合物先驅(qū)體浸漬-裂解法(Precursorinfiltrationandpyrolysis,PIP)是制備陶瓷基復(fù)合材料的重要方法，其一般過程是：以纖維預(yù)制件(三維編織物、疊層布多孔材料等)為骨架，浸漬聚合物先驅(qū)體(溶液或熔融物)，在惰性氣體保護(hù)下使其交聯(lián)固化(或晾干)，然后在一定氣氛中進(jìn)行高溫裂解，從而得到陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件，重復(fù)浸漬-交聯(lián)-裂解過程可使復(fù)合材料致密化。與粉末成型、熱壓

11、燒結(jié)等傳統(tǒng)陶瓷制備工藝相比較，PIP工藝的主要特點(diǎn)是：有機(jī)聚合物先驅(qū)體的分子組成具有可設(shè)計(jì)性，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料陶瓷基體的組成、結(jié)構(gòu)與性能的控制；制備溫度低，可以減輕對(duì)預(yù)制件的損傷；在單一的聚合物和多相的聚合物中浸漬，可以得到組成結(jié)構(gòu)均勻的單相或多相陶瓷基體；可以制備大型復(fù)雜構(gòu)件且可實(shí)現(xiàn)凈成型，產(chǎn)品機(jī)加工性良好。然而，PIP工藝仍存在一些不足。例如，先驅(qū)體交聯(lián)和裂解過程中有小分子逸出，在裂解時(shí)材料有可能發(fā)生體積收縮，導(dǎo)致所得的陶瓷基體孔隙率很高，力學(xué)性能較差，因此，需經(jīng)反復(fù)浸漬和裂解才能提高材料的密度與強(qiáng)度，制備周期較長；聚合物先驅(qū)體的合成過程較為復(fù)雜，成本較高等。對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷基透

12、波復(fù)合材料，Sol-gel和PIP工藝相對(duì)于其他方法具有較大優(yōu)勢(shì)，也是目前各研究主要采用的方法。前者主要用于制備石英基復(fù)合材料，后者則多用于氮化物基透波復(fù)合材料的制備。4 .熱透波復(fù)合材料的電性能174.1 介電性能介電性能隨溫度的上升而發(fā)生變化是限制熱透波材料使用溫度范圍的一個(gè)主要因素。系統(tǒng)性的熱透波研究主要涉及3個(gè)方面，即材料的熱電行為、材料的燒蝕傳熱行為、三維非均態(tài)構(gòu)件的熱透波分析計(jì)算。熱電行為和燒蝕傳熱行為是進(jìn)行熱透波分析計(jì)算的前提，兩者分別為后者提供高溫介電性能、溫度場(chǎng)和燒蝕外形的輸入條件。本部分只介紹材料熱電行為。熱電行為即固定工作頻率下，材料介電常數(shù)和介電損耗隨溫度上升的變化規(guī)律

13、，包括本征變化和雜質(zhì)微成分的影響，熱電行為是材料固有物理屬性。氧化鋁單晶（藍(lán)寶石）基體介電性能在熔融之前，材料介電常數(shù)和介電損耗均隨溫度上升緩慢上升，離子鍵比例較高的大多數(shù)氧化物熱透波材料均具有類似特點(diǎn)。熔融之后，由于出現(xiàn)正負(fù)離子離解，成為導(dǎo)電材料，不再適合作為熱透波材料使用。二氧化硅是一個(gè)特例，熔融之后，四面體結(jié)構(gòu)單元基本保持，因而仍具有較小的熔融態(tài)介電損耗。氮化硅材料基體介電性能在分解氣化之前，介電常數(shù)隨溫度上升變化較小，但介電損耗在達(dá)到一定溫度后（約1600C）迅速上升，共價(jià)鍵原子晶體的氮化物熱透波材料均具有類似變化規(guī)律。介電損耗的突變是由于電子電導(dǎo)的迅速增加引起的，與材料的禁帶寬度有關(guān)

14、，禁帶寬度越窄，突變?cè)矫黠@。Si2N2O其熱電行為與Si3N4材料類似。由于Si2N2O禁帶寬度（5.95eV）大于Si3N4（5.3eV）,因而高溫介電損耗小于Si3N4o雜質(zhì)微成分對(duì)材料熱電行為的影響雜質(zhì)微成分在熱透波材料中一般含量較低，對(duì)熱電行為的影響主要源于高溫下產(chǎn)生的離子電導(dǎo)，因而對(duì)介電損耗影響較大，對(duì)介電常數(shù)影響不明顯，一般不同材料高溫介電損耗差異很大，一價(jià)元素更易于在品格或網(wǎng)絡(luò)中遷移，其影響作用遠(yuǎn)大于三價(jià)元素。4.2 高溫電性能測(cè)試高溫電性能測(cè)試主要包括介電性能測(cè)試和透波性能測(cè)試，前者直接獲得高溫平衡狀態(tài)下材料的介電常數(shù)和介電損耗等物理性能，后者一般得到的是高溫非平衡狀態(tài)下材料的

15、功率傳輸系數(shù)和插入相位移等使用性能。高溫介電性能測(cè)試在微波及毫米波波段，介電性能的測(cè)試方法主要有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振腔法兩大類，兩者分別適用于高損耗材料和低損耗材料的測(cè)量。前者主要包括傳輸/反射法、終端開路/短路法和自由空間法，后者包括諧振腔微擾法、介質(zhì)諧振器法和高Q諧振腔法等。國內(nèi)外利用這些方法進(jìn)行高溫介電性能測(cè)試的相關(guān)報(bào)道很多，由于被測(cè)材料對(duì)象較多，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)材料介電參數(shù)的變化也較大，所以不同方法具有各自不同的適用范圍2426。高溫介電性能測(cè)試共同需要解決的主要問題是高溫測(cè)試物理模型、高溫測(cè)試系統(tǒng)選材和高溫校準(zhǔn)與誤差分析。熱透波性能測(cè)試熱透波性能測(cè)試需要解決2個(gè)主要問題，一是開放環(huán)境下的

16、電測(cè)準(zhǔn)確性問題，二是熱源干擾問題。后者更為關(guān)鍵。當(dāng)溫度不超過1400c時(shí)，熱源可以選用石英燈、氧乙烘或太陽爐等，對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小。20世紀(jì)70年代，沃爾太特（Basstl）和蘭利（Langley）研究中心采用無電磁干擾、可控?zé)崃鞯奶柲芗訜岱桨福晒M(jìn)行了熱透波模擬測(cè)試，總熱流接近1MW/m2量級(jí)。對(duì)于高超聲速再入飛行，熱流環(huán)境遠(yuǎn)高于1MW/m2,一般需要采用電弧等離子體射流或電弧風(fēng)洞模擬熱環(huán)境。但是，由于電極燒損、空氣電離等問題，電弧加熱器開機(jī)時(shí)，流場(chǎng)的電子數(shù)密度達(dá)到1014個(gè)/cm3量級(jí)以上，遠(yuǎn)高于透波性能正常測(cè)試（Ku波段）要求的約1011個(gè)/cm3上限，流場(chǎng)干擾可造成信號(hào)衰減40dB

17、,完全掩蓋了1dB左右的被測(cè)信號(hào)。因此，美國國家航空航天局艾姆斯研究中心（Ames）、蘭利研究中心和空軍飛行動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室，以及國內(nèi)相關(guān)研究部門，早期均采取燒蝕關(guān)機(jī)后立即進(jìn)行降溫過程電測(cè)的方法，可以在一定程度上獲取有用的熱透波信息，但無法進(jìn)行軌道模擬測(cè)試。近期，國內(nèi)已突破電弧加熱器流場(chǎng)品質(zhì)控制關(guān)鍵技術(shù)，電子數(shù)密度下降到1010個(gè)/cm3量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了開機(jī)過程熱透波實(shí)時(shí)測(cè)試，在8MW/m2熱流條件下，功率分辨率不低于0.1dB,成功進(jìn)行了多種熱透波材料的燒蝕熱透波模擬測(cè)試。5 .小結(jié)隨著高超聲速技術(shù)的快速發(fā)展，在相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的推動(dòng)下，熱透波領(lǐng)域?qū)⑼黄乒こ虘?yīng)用為主的局限，呈現(xiàn)基礎(chǔ)與應(yīng)用相輔相成，全面發(fā)展

18、的局面。熱電行為規(guī)律建模分析向全溫域、全頻域和高精度方向發(fā)展。燒蝕傳熱行為規(guī)律建模分析向高精度和大熱流范圍方向發(fā)展，熱透波分析向一體化、大尺度和高精度方向發(fā)展，高溫介電性能測(cè)試向全覆蓋和降低不確定度方向發(fā)展，熱透波模擬試驗(yàn)向大尺度、高熱流和長時(shí)間方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)熱透波材料實(shí)現(xiàn)材料體系的創(chuàng)新。參考文獻(xiàn)：1 JohnsonRC.AntennaengineeringhandbookNewYork：McGraw-Hill,Inc.,1984.2 GilreathMC,CastellowSL.High-temperaturedielectricpropertiesofcandidatespaceshutt

19、lethermal-protection-systemandantenna-windowmaterialsNASATND-7523,1974.3黎義，張大海，陳英，等.航天透波多功能材料研究進(jìn)展.宇航材料工藝，2000,30(5):15.4張大海，黎義，高文，等.高溫天線罩材料研究進(jìn)展.宇航材料工藝，2001,31(6):13.5李斌，張長瑞，曹峰，等.高超音速導(dǎo)彈天線罩設(shè)計(jì)與制備中的關(guān)鍵問題分析.科技導(dǎo)報(bào)，2006,24(8):2831.6李端.氮化硼纖維增強(qiáng)陶瓷基透波復(fù)合材料的制備與性能研究：碩士學(xué)位論文.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.7 GilreathMC,CastellowsL.HighTemperatureDielectricProper-tiesofCandidateSpace-ShuttleThermalProtectionSystemandAntenna-WindowMaterialR.NASATND-7523.Washington:NASA,1974:153.8 BrazelJP,FentonR.ADL-4D:ASilica/Si