[科普中国]-高温透波材料

简介

航空航天高温透波材料是保护飞行器在恶劣环境条件下通讯、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，多为锥形或半球形，具有导流、防热、透波、承载等多种功能。随着航空航天技术的发展以及现代化战争的需要，航空航天飞行器的飞行马赫数不断提高，处于飞行器气动力和气动热最大最高位置的天线罩需承受的温度和热冲击越来越高，因此高温透波材料成为研究重点。1

国外透波材料研究现状国外透波材料的研究始于20 世纪50 年代初，经历了从纤维增强塑料到陶瓷基复合材料的发展过程。国外对透波材料高温物态与高温电性能的研究可以追溯到20 世纪70 年代，那时，美国就开始研究高速飞行的战略导弹，并意识到高速飞行所引起的气动加热效应将对天线罩导引头的电磁波传输造成严重影响。首先认识到高速飞行使导弹头部迎风面快速升温、烧蚀、甚至熔融或气化，从而导致热透波效应，并揭示了一些典型材料体系高温电性能的影响因素。在过去的几十年中，透波材料技术不断发展，材料的高温电性能和力学性能技术指标不断改善。

目前在透波材料方面，美国和俄罗斯处于领先位置。美国是最早开始研究高温透波材料的，目前取得的成果最多，材料的类别也比较齐全。俄罗斯着重研究磷酸盐体系材料和有机硅树脂。1

有机天线罩材料传统的有机树脂材料作透波材料有电性能、工艺性能良好且价格便宜的优点，但是它的耐热性能一般不好，所以只能用在低速的导弹上（ 如亚声速巡航导弹）。美国Nangatuck 化学公司在20 世纪60 年代初用三聚氰酸三丙烯酯TAC 对普通不饱和聚酯进行了改性，商品名为Vibrinl35和Vibrinl36，从而将其复合材料长期受用温度由120℃提高至150℃。该树脂被波音公司选用为波马克导弹天线的树脂基体。环氧树脂也是低速导弹天线罩最常用的基体树脂之一，它具有优良的粘结性能、耐化学腐蚀性能和电性能，固化收缩率低，能形成尺寸稳定的致密制品。

有机硅树脂突出的优点是耐热性和优良的介电性能，在各种环境条件下的介电性能都比较稳定。其缺点是机械强度较低，且需高压成型。俄罗斯对有机硅树脂进行了多年研究，已将其复合材料成功应用于战术导弹、火箭以及航天飞机。随着导弹飞行速度的提高，人们正大力研究用于Ma > 4 的高超声速导弹天线罩。介电性能独树一帜的氟塑料已经开始进人天线罩领域。其中美国Rogers 公司研制的Duroid5870综合性能较为优越。

黑炭化烧蚀聚四氟乙烯（PTFE）具有低的介电常数，为2.1（10GHz），介电损耗一般为3×10-4~4×10-4（10GHz），为天线罩的高透波率创造了条件。PTFE 在高温时分解为不导电的氟化物，460℃以上时产生蒸发散热，但表面不碳化，是一种非常好的非碳化烧蚀材料。但PTFE的力学性能在常温下不如其它塑料，需采用增强剂进行补强；而且PTFE 不能熔融，一般需要烧结成型，工艺复杂，这在很大程度上限制了它的应用。另外酚醛树脂、氰酸酯树脂以及聚醚醚酮等材料也可被用来作导弹雷达天线罩。1

无机天线罩材料无机天线罩材料一般指耐高温的无机非金属陶瓷材料。随着超声速和高超声速飞行器的发展，要求天线罩能在更为恶劣的环境条件下工作。陶瓷及陶瓷基复合材料具有熔点高、高强度等优点，某些具有不错介电性能的材料为研究人员所关注。微晶玻璃是美国康宁公司生产的9606微晶玻璃，它具有天线罩所必须的综合性能：介电常数低，损耗角正切小，耐高温，高强度，膨胀系数低以及介电常数随温度和频率的变化不大；但其工艺复杂，成型和晶化处理难以控制。

磷酸盐基复合材料是俄罗斯研制的具有特色的透波材料。目前应用比较多的有磷酸铬、磷酸铝和磷酸铬铝。布块或织物经磷酸盐溶液浸渍后加压固化而得。经复合固化后的磷酸铬（ 在1200℃以下），磷酸铬铝基复合材料（ 在1200℃ ~ 1500℃）的力学和物理性能保持良好，电性能稳定。磷酸铝在1500℃ ~1800℃范围内仍具有稳定的性能。1995 年，在美国海军资助下，研究出以磷酸盐为粘结剂，烧结温度不超过900℃的无压烧结氮化硅陶瓷材料。该材料20℃的介电常数ε为4.03，1000℃ 的介电常数变化率为5.2%， 弯曲强度为85MPa。1997 年，在美国陆军资助下，研制出以无压烧结SiON 纳米复合材料陶瓷天线罩，应用于超声速飞行器。该材料在20℃和1000℃的介电常数和介电损耗分别为4.78，5.0 和0.0014，0.0025，介电常数变化不到4.7%，弯曲强度为190MPa，为石英陶瓷强度（48MPa）的4 倍，硬度是石英陶瓷的2 ~ 5 倍，综合性能显著优于石英陶瓷。1

透波材料的发展展望由于导弹天线罩具有导流、防热、透波、承载等多种功能，要求其材料有高强度，较低的热导率，较好的高温性能。而且由于导弹武器高精度和高可靠性的要求，材料的性能随机性和离散度要尽量的小。随着导弹速度的提高，导弹上多用高温透波材料。与低温透波材料相比，高温透波材料应满足：1）稳定的高温介电性能，以保证在气动加热条件下，尽可能不失真地透过电磁波；2）低的热膨胀系数，以免天线罩因热膨胀系数过高而失效；3）抗粒子云侵蚀，以免影响导弹的战斗力；4）抗热震性能，以免在大的温升速度和高温差下失效。

目前，陶瓷基复合材料以其优越的性能已成为各国研究的主攻方向。影响复合材料的介电性能的主要因素有材料体系，材料在高温下的物理化学反应及其生成物，材料中的杂质，材料的本征结构；同时陶瓷材料韧性较差等弱点也急需改进。下面介绍一下在透波陶瓷基复合材料上有可能的发展方向：

1）连续纤维增强陶瓷材料。陶瓷材料虽然有耐高温、耐腐蚀和质量轻的优点，但是其韧性差的缺点限制了它的应用，特别在要求高可靠性的导弹武器系统中。如何提高它的韧性一直是各国研究的核心课题之一。就目前研究进展来看，连续纤维增韧效果最好，它可以同时提高材料强度和抗热震性能，但是长纤维在基体中的均匀分布和界面结合的问题还没有很好的解决。

2）超高熔点陶瓷的应用。导弹再入时，弹头由于气动加热，温度可达1500℃以上，据报道在导弹达到Ma= 8 ~ 12 时其弹头局部温度达到4 000℃ ~8 000℃。由于成形工艺的影响，碳化物、金属碳化物、氧化物等高熔点陶瓷的应用研究很少，如果能找到合适的成形工艺，那么必将使透波材料研究有较大的发展。

3）相变机理的研究和控制。在20 世纪80 年代美国研制的热压氮化硼陶瓷雷达天线罩，在进行飞行再入试验时，材料在烧蚀温度由绝缘相转变到半导体相，使得雷达波衰减达到45dB。如果能控制材料相变，可能会推进透波材料研究的进展。

4）烧结工艺的提高。目前大型陶瓷构件成形工艺中，大多应用烧结工艺。从目前研究情况看，直接烧结温度过高，工艺不容易实现；液相烧结（ 即在材料中添加助烧剂，在烧结时形成液相区，加快陶瓷的致密化过程），使得烧结温度降低，但是其对材料的高温性能的影响，由于目前研究较少，还是未知数；反应烧结有能加工大型、复杂形状构件的优点，但是其致密性还需提高。

5）层状复合材料。导弹雷达天线罩工作环境极其恶劣，要使一种材料全部满足要求，难度较大。使用层状复合材料可以使问题分模块来处理。在导弹武器中使用层状复合材料的可能性也是存在的。导弹上的通讯、遥测、制导和引爆等系统不是时时刻刻都在工作中，而且各个系统的工作时间也不同，因此，在设计材料时可以前面加烧蚀材料（烧蚀残余物质不能损害透波），使得材料在不同时段有不同性能。

高温透波材料的研究涉及到材料科学、电磁学、电磁场理论、微波测试技术及电介质物理等多门学科。为得到符合需求的高温透波材料，需要组织跨学科的研究队伍，深入细致地开展综合研究，以得到新的材料体系或者对已有材料的发掘应用。1