基本介紹
- 中文名：高溫透波材料
- 外文名：High temperature wave transmitting material
- 定義：保護飛行器正常工作的介質材料
- 分類：天線窗、天線罩
- 一級學科：航空科技
- 二級學科：航空器
簡介,國外透波材料研究現狀,有機天線罩材料,無機天線罩材料,透波材料的發展展望,
簡介
航空航天高溫透波材料是保護飛行器在惡劣環境條件下通訊、遙測、制導、引爆等系統正常工作的一種多功能介質材料，在運載火箭、飛船、飛彈及返回式衛星等飛行器無線電系統中得到廣泛套用。按其結構形式，透波材料可分為天線窗和天線罩兩大類，其中天線窗一般位於飛行器的側面，通常為平板或帶弧面的板狀；天線罩位於飛行器的頭部，多為錐形或半球形，具有導流、防熱、透波、承載等多種功能。隨著航空航天技術的發展以及現代化戰爭的需要，航空航天飛行器的飛行馬赫數不斷提高，處於飛行器氣動力和氣動熱最大最高位置的天線罩需承受的溫度和熱衝擊越來越高，因此高溫透波材料成為研究重點。
國外透波材料研究現狀
國外透波材料的研究始於20 世紀50 年代初，經歷了從纖維增強塑膠到陶瓷基複合材料的發展過程。國外對透波材料高溫物態與高溫電性能的研究可以追溯到20 世紀70 年代，那時，美國就開始研究高速飛行的戰略飛彈，並意識到高速飛行所引起的氣動加熱效應將對天線罩導引頭的電磁波傳輸造成嚴重影響。首先認識到高速飛行使飛彈頭部迎風面快速升溫、燒蝕、甚至熔融或氣化，從而導致熱透波效應，並揭示了一些典型材料體系高溫電性能的影響因素。在過去的幾十年中，透波材料技術不斷發展，材料的高溫電性能和力學性能技術指標不斷改善。
目前在透波材料方面，美國和俄羅斯處於領先位置。美國是最早開始研究高溫透波材料的，目前取得的成果最多，材料的類別也比較齊全。俄羅斯著重研究磷酸鹽體系材料和有機矽樹脂。
有機天線罩材料
傳統的有機樹脂材料作透波材料有電性能、工藝性能良好且價格便宜的優點，但是它的耐熱性能一般不好，所以只能用在低速的飛彈上（ 如亞聲速巡航飛彈）。美國Nangatuck 化學公司在20 世紀60 年代初用三聚氰酸三丙烯酯TAC 對普通不飽和聚酯進行了改性，商品名為Vibrinl35和Vibrinl36，從而將其複合材料長期受用溫度由120℃提高至150℃。該樹脂被波音公司選用為波馬克飛彈天線的樹脂基體。環氧樹脂也是低速飛彈天線罩最常用的基體樹脂之一，它具有優良的粘結性能、耐化學腐蝕性能和電性能，固化收縮率低，能形成尺寸穩定的緻密製品。
有機矽樹脂突出的優點是耐熱性和優良的介電性能，在各種環境條件下的介電性能都比較穩定。其缺點是機械強度較低，且需高壓成型。俄羅斯對有機矽樹脂進行了多年研究，已將其複合材料成功套用於戰術飛彈、火箭以及太空梭。隨著飛彈飛行速度的提高，人們正大力研究用於Ma > 4 的高超聲速飛彈天線罩。介電性能獨樹一幟的氟塑膠已經開始進人天線罩領域。其中美國Rogers 公司研製的Duroid5870綜合性能較為優越。
黑炭化燒蝕聚四氟乙烯（PTFE）具有低的介電常數，為2.1（10GHz），介電損耗一般為3×10-4~4×10-4（10GHz），為天線罩的高透波率創造了條件。PTFE 在高溫時分解為不導電的氟化物，460℃以上時產生蒸發散熱，但表面不碳化，是一種非常好的非碳化燒蝕材料。但PTFE的力學性能在常溫下不如其它塑膠，需採用增強劑進行補強；而且PTFE 不能熔融，一般需要燒結成型，工藝複雜，這在很大程度上限制了它的套用。另外酚醛樹脂、氰酸酯樹脂以及聚醚醚酮等材料也可被用來作飛彈雷達天線罩。
無機天線罩材料
無機天線罩材料一般指耐高溫的無機非金屬陶瓷材料。隨著超聲速和高超聲速飛行器的發展，要求天線罩能在更為惡劣的環境條件下工作。陶瓷及陶瓷基複合材料具有熔點高、高強度等優點，某些具有不錯介電性能的材料為研究人員所關注。微晶玻璃是美國康寧公司生產的9606微晶玻璃，它具有天線罩所必須的綜合性能：介電常數低，損耗角正切小，耐高溫，高強度，膨脹係數低以及介電常數隨溫度和頻率的變化不大；但其工藝複雜，成型和晶化處理難以控制。
磷酸鹽基複合材料是俄羅斯研製的具有特色的透波材料。目前套用比較多的有磷酸鉻、磷酸鋁和磷酸鉻鋁。布塊或織物經磷酸鹽溶液浸漬後加壓固化而得。經複合固化後的磷酸鉻（ 在1200℃以下），磷酸鉻鋁基複合材料（ 在1200℃ ~ 1500℃）的力學和物理性能保持良好，電性能穩定。磷酸鋁在1500℃ ~1800℃範圍內仍具有穩定的性能。1995 年，在美國海軍資助下，研究出以磷酸鹽為粘結劑，燒結溫度不超過900℃的無壓燒結氮化矽陶瓷材料。該材料20℃的介電常數ε為4.03，1000℃ 的介電常數變化率為5.2%， 彎曲強度為85MPa。1997 年，在美國陸軍資助下，研製出以無壓燒結SiON 納米複合材料陶瓷天線罩，套用於超聲速飛行器。該材料在20℃和1000℃的介電常數和介電損耗分別為4.78，5.0 和0.0014，0.0025，介電常數變化不到4.7%，彎曲強度為190MPa，為石英陶瓷強度（48MPa）的4 倍，硬度是石英陶瓷的2 ~ 5 倍，綜合性能顯著優於石英陶瓷。
透波材料的發展展望
由於飛彈天線罩具有導流、防熱、透波、承載等多種功能，要求其材料有高強度，較低的熱導率，較好的高溫性能。而且由於飛彈武器高精度和高可靠性的要求，材料的性能隨機性和離散度要儘量的小。隨著飛彈速度的提高，飛彈上多用高溫透波材料。與低溫透波材料相比，高溫透波材料應滿足：1）穩定的高溫介電性能，以保證在氣動加熱條件下，儘可能不失真地透過電磁波；2）低的熱膨脹係數，以免天線罩因熱膨脹係數過高而失效；3）抗粒子云侵蝕，以免影響飛彈的戰鬥力；4）抗熱震性能，以免在大的溫升速度和高溫差下失效。
目前，陶瓷基複合材料以其優越的性能已成為各國研究的主攻方向。影響複合材料的介電性能的主要因素有材料體系，材料在高溫下的物理化學反應及其生成物，材料中的雜質，材料的本徵結構；同時陶瓷材料韌性較差等弱點也急需改進。下面介紹一下在透波陶瓷基複合材料上有可能的發展方向：
1）連續纖維增強陶瓷材料。陶瓷材料雖然有耐高溫、耐腐蝕和質量輕的優點，但是其韌性差的缺點限制了它的套用，特別在要求高可靠性的飛彈武器系統中。如何提高它的韌性一直是各國研究的核心課題之一。就目前研究進展來看，連續纖維增韌效果最好，它可以同時提高材料強度和抗熱震性能，但是長纖維在基體中的均勻分布和界面結合的問題還沒有很好的解決。
2）超高熔點陶瓷的套用。飛彈再入時，彈頭由於氣動加熱，溫度可達1500℃以上，據報導在飛彈達到Ma= 8 ~ 12 時其彈頭局部溫度達到4 000℃ ~8 000℃。由於成形工藝的影響，碳化物、金屬碳化物、氧化物等高熔點陶瓷的套用研究很少，如果能找到合適的成形工藝，那么必將使透波材料研究有較大的發展。
3）相變機理的研究和控制。在20 世紀80 年代美國研製的熱壓氮化硼陶瓷雷達天線罩，在進行飛行再入試驗時，材料在燒蝕溫度由絕緣相轉變到半導體相，使得雷達波衰減達到45dB。如果能控制材料相變，可能會推進透波材料研究的進展。
4）燒結工藝的提高。目前大型陶瓷構件成形工藝中，大多套用燒結工藝。從目前研究情況看，直接燒結溫度過高，工藝不容易實現；液相燒結（ 即在材料中添加助燒劑，在燒結時形成液相區，加快陶瓷的緻密化過程），使得燒結溫度降低，但是其對材料的高溫性能的影響，由於目前研究較少，還是未知數；反應燒結有能加工大型、複雜形狀構件的優點，但是其緻密性還需提高。
5）層狀複合材料。飛彈雷達天線罩工作環境極其惡劣，要使一種材料全部滿足要求，難度較大。使用層狀複合材料可以使問題分模組來處理。在飛彈武器中使用層狀複合材料的可能性也是存在的。飛彈上的通訊、遙測、制導和引爆等系統不是時時刻刻都在工作中，而且各個系統的工作時間也不同，因此，在設計材料時可以前面加燒蝕材料（燒蝕殘餘物質不能損害透波），使得材料在不同時段有不同性能。
高溫透波材料的研究涉及到材料科學、電磁學、電磁場理論、微波測試技術及電介質物理等多門學科。為得到符合需求的高溫透波材料，需要組織跨學科的研究隊伍，深入細緻地開展綜合研究，以得到新的材料體系或者對已有材料的發掘套用。
