天线罩透波材料研究进展PPT讲座

天线罩透波材料研究进展 天线罩简述及应用天线罩材料性能要求天线罩材料研究现状导弹天线罩制备工艺透波材料发展趋势 一 天线罩简述及应用 雷达导引头天线罩是战术导弹和其它航天飞行器的重要部件 它位于飞行器最前端 为了保证各种飞行器的飞行速度 一般天线罩呈流线形状 主要保护航天飞行器在恶劣环境条件下的通讯 遥测 制导 引爆等系统能正常工作 在运载火箭 飞船 导弹等航天飞行器无线电系统中得到广泛应用 导弹天线罩 火箭天线罩 飞机天线罩 二 天线罩材料性能要求 1 天线罩的使用环境由于飞行器的飞行速度很快 在高马赫数飞行过程中会产生大量的热量 同时在转弯和变轨的过程中必须承受一定的力 而且还要求重量轻等 故对天线罩材料和结构提出了很高的要求 此外 天线罩还要能够接收发射来的电磁信号 2 具体天线罩对材料有以下基本要求 1 电气性能 具有低的介电常数 10 和介电损耗 tg 0 001 并且不随温度和频率发生明显的变化 2 热性能 具有良好耐热性能 低的热膨胀系数和热导率 抗热震 3 力学性能 大的弹性模量 高断裂强度和韧性 保证天线罩在飞行过程中由空气动力纵向和横向加速度引起的机械应力作用下不受损伤 4 抗侵蚀性能 具有防雨蚀 防粒子 碎片 侵蚀的能力等 5 其他性能 易于成型加工 低的密度以减轻重量 三 天线罩材料研究现状 1 有机透波材料早期的飞机和导弹 由于飞行速度不高 3Ma 头部由于气动加热产生的温度在300 以下 天线罩应用环境相对比较温和 因此采用有机物 玻璃纤维增强树脂基复合材料 制备的天线罩即可满足使用要求 优点 具有介电性能优异 可加工性能好 成本低等优点 由于树脂基复合材料耐温一般不超过300 因此很多研究工作集中在提高树脂的耐高温性能上 缺点 树脂的耐高温性能毕竟很有限 改进的余地也不大 不能满足中高马赫数飞行导弹的需要 2 陶瓷透波材料 陶瓷材料能将室温性能保持到相当高的温度 当导弹飞行速度超过4Ma 传统的树脂基复合材料已不能满足要求时 陶瓷材料因其优异的耐高温性能成为高温透波领域的主要候选材料 到目前为止 可作为高温陶瓷天线罩材料候选材料的主要有石英 氧化铝 氮化硼 氮化硅及以它们为主要组成的复相陶瓷 各透波材料材料优缺点比较 3 陶瓷基透波复合材料 目前为止仍无一种介电性能 强度 烧蚀性能 抗雨蚀和抗热冲击等性能均十分理想的陶瓷材料 并且陶瓷材料普遍存在韧性差 可靠性不高的缺点 通过对各种陶瓷材料进行优化 设计各种增韧途径 制备工艺路线并制备出整体性能更为优异的陶瓷基透波复合材料 以满足现代天线罩对材料的要求 1 二氧化硅基透波复合材料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的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 材料的介电性能是稳定的 且强度比原来提高14 左右 除采用纤维增强石英陶瓷外 还可采用弥散颗粒增强来提高石英陶瓷天线罩的强度 2 磷酸盐基透波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 然后用准备好磷酸盐真空浸渍 最后在1 15MPa压力 150 200 温度下固化 制备过程中的关键技术问题是确定合成磷酸盐合适的摩尔比 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 以下及磷酸铝复合材料1500 1800 以下均具有稳定的性能 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 3 氮化物基透波复合材料采用氮化硅与氮化硼两种材料复合制备的氮化硅 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 法国已成功采用氮化硅 氮化硼复合材料制备天线罩 俄罗斯采用氮化物基复合材料制备出了天线罩 现已达到实用化水平 四 导弹天线罩制备工艺 导弹天线罩材料及构件的制备工艺有许多种 其中从制备工艺的主要特点来看 陶瓷及其复合材料材料天线罩的制备工艺归纳起来主要有以下几种 1 反应烧结 reactionbonding 工艺 利用起始原料形成骨架 在一定温度下通过固相 液相和气相之间相互发生化学反应 反应所增加的体积填充了骨架中原来的气孔 同时实现了材料的致密化和规定组分的合成 研究的材料体系主要是Si粉氮化制备Si3N4基复合材料 2 热压烧结 hotpresssintering 工艺 将粉末装入腔模内部 对粉体施加一定的压力 同时加热到正常烧结温度进行烧结 研究的材料体系有Si3N4 BN及Sialon等 3 无压烧结 pressurelesssintering 工艺 制得一定形状的陶瓷素坯 在正常的压力下 加以适当的烧结助剂 将陶瓷素坯在高温下进行烧结 研究的材料体系较广泛 此种工艺最大缺点是烧结助剂的存在通常会导致材料介电损耗增大或高温力学性能下降 4 注浆成型 slipcasting 工艺 将原料粉末配成料浆注入多孔模具中 泥浆中的水分被多孔模具吸收 形成一定厚度的均匀泥层 经干燥后形成一定强度的坯体 随后在高温下烧结成陶瓷 该工艺最大的缺点是坯体在干燥和烧成过程中 体积收缩太大而易导致坯体开裂 此外还有凝胶注模成型工艺 溶胶 凝胶工艺 先驱体浸渍裂解工艺等 五 透波材料发展趋势 1 随着飞行器马赫数的逐渐增大 气动烧蚀的问题越来越严重 为保证飞行器的系统能正常工作 对透波材料的隔热性能有了更高的要求 而且材料的烧蚀量要控制在一定的范围之内 耐高温的透波复合陶瓷将是一个重要的发展方向 2 为提高飞行器的智能水平 作为飞行器眼睛的雷达材料的智能水平将是需要解决的问题 发展智能透波材料以及一些特殊功能的透波材料将有很好的前景 3 高的制导精度和抗干扰能力将是各种新型导弹具有的功能 其雷达透波材料的性能就显得尤为重要 发展高性能宽频透波天线罩