航天透波材料最新研究进展.pdf

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1、材料导报年月第卷第期航天透波材料最新研究进展艾涛王汝敏西北 工业大学应用化学 系,西安摘要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。关键词天线罩透波材料,一,前言航天透波材 料是保护航天 飞行器 在恶劣环境条件下通讯、遥测、制导、引爆等系统能正常工作的一种 多功能介质材料,在运 载火箭、飞船、导 弹及返回式卫星等航天飞行器无线电系统中得到广泛的应用。不同飞行器所处 的工作环境不同,使用的天线设备也不同,因而对透波材料的要求差 异也很大。航天透波

2、材料按其结构件的形式主要分为天线窗和天线罩大类,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,主要用于保护天线 窗后面 的无线电设备,使其在恶劣环境下能正常工作天线罩位于飞行器的头部,多为锥形,有 时也有半球形,具有导 流、放热、透波、承载等多种功能。天线罩材料种类和结构种类较多,但适用于制作超高速精确制导雷达天线罩的材料并不多,主要是 由于对材料放热、承载和 电气性能的要求都极高,限制了材料结构组分的设计与选择一。数。与损耗因子。的关系汀汇。“”一百一兀凡,汀蝉仁刀人召七、八刃塑旦几。,一了百从上式可 见材料微波吸收系数。和相 对介电常数。及损耗角正切台有着很明显的关系。因此

3、,选取低介电常数、低介电损耗的材料能获得较理想 的微波透波性能。一般来说,透波材料适 宜的 相 对介电常数 值为,损耗 角正切值为一。介质 中电磁波传输的基本理论对介电常数和损耗角 的定量讨论通常是引人复介电常数。的概念一复介电常数仁的实部。就是媒质 的介电常数,虚部。则表示媒质的损耗。而占,口。式中、为微波人射时的角频率。为介质的电导率,计及所用损耗的总 和为损耗角台为介电损耗。在正 弦 电磁场下 的各向同性线性介质 设材料为弱磁性,利用麦克斯韦第一方程和第二方程可以推得材料中微波吸收系透波材料研究现状材料体系陶瓷体系主要为微晶玻璃、氮化 陶瓷 与 氮化硼二 氧化硅复相陶瓷、单相 和复相 的

4、氮化硅 陶瓷和硅氧氮陶瓷。微晶玻璃是美国康宁公司生 产 的微 晶玻璃,与中科院上海硅酸盐研究所的一配方相似。它们都具有 透波材料所必须的综合性 能。低、占小、强度高、膨胀 系数低以及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。以色列研制的一 种氮 化硅天线 罩 材料,其介电性能可满足,而且具有 足够的机械强度,耐雨蚀,砂蚀性能 良好,可耐高温达扩。增强材料玻璃纤维是导 电天线罩中最常用 的增强 材料,有、等类。美苏等国公开的文献中多数导弹仍采用玻璃纤维复合材料,如美 国的“霍克”导弹和前苏联 的“一”导弹等。其 中玻艾涛男,年生,博士生一一。航天透 波材料最新研究进展艾涛

5、等璃 纤维是国外专门为天线罩而研制的新型玻璃纤维,介电常数和损耗仅次于石英玻璃纤维,但抗张强度和模量稍低,对于电性能要求的导 弹来说,是制造天线罩较为理想的材料。石英玻璃纤维的介电性 能最好,可实现天线罩的宽频透波性,但价格远远高于玻璃纤维。目前,国外导弹天线罩大 多已采用此 种纤维。这种雷达罩的探测范围可以增 大到,寿命更长,维修性能更好,同时可获得明显的重量减轻效果。与相同的玻璃雷达罩相比它可减重一。玻璃纤维 中由于含有较高的碱金属氧化物,在高温烧蚀时易离子化,产生尾流,使导弹易被 雷达跟踪。因此玻璃纤维在高性 能天线罩的应用并不多。芳纶纤维是一种比较常用 的有机纤维。美 国杜邦公司生产的

6、芳纶纤维具有高强度和高模量,已用于 天线罩的制造。但芳纶的压 缩 强度差,抗扭剪强 度低,且 易 吸潮,在加工过程 中应 予以注意。为一 种商品化 的高模量聚乙烯纤 维。由于聚乙烯在各种频率下 均表现出优异 的介电性能,以及 该 纤 维所具有的低 密度、高强 度、高模量和高抗冲击性能,使得 高模量 聚乙烯纤维在高性 能天线罩的制造 中具有极大 的吸引力。但由于聚乙烯纤维表面具有惰性,必 须经过特 殊 的表面处 理以增强 它 与树脂基体间的粘结力。常见的用于雷 达天线罩的纤维增强 材料性能见表仁一“二。表用 于雷达天线罩 的纤维增强材料性能性能密度一拉伸强度杨氏模量介电常数介电损耗玻璃玻璃玻璃石

7、英玻芳纶纤维纤维纤维纤维璃纤维。,树脂体系传统的树脂基体如不饱和聚醋树脂、环氧树脂、酚醛树脂等热固性树脂仍广泛 用 于各种透波材料,除此 之外,氰酸醋树脂、有 机硅树脂、双马来酞亚胺等新型树脂也逐渐开始投人使用。热塑性树脂近年来 在天线罩 的制备 中崭露头角,其 中最 引人 注目的是美国研制的非碳化烧蚀材料聚四氟乙烯。不饱和聚醋的 电性 能、工艺性能良好且价格便宜,是最早用于透玻材料的聚合物之一。为了提高树脂 的耐热性,美国化 学 公司 在世纪年 代初用 三 聚氰 酸三丙烯醋对普通 不饱和聚酷进 行 了改性,商品名为,从而将其复合材 料 长期 受用温 度 由提高至。该树脂被波音公司选 用 为。

8、导弹天线的树脂基体。环氧树脂是导弹天线 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。其贮存期、固化条件以及粘度 随固化剂的不同而呈现多样性。但环 氧树脂的使用 温度一般较低,可用于亚音速导弹天线罩。酚 醛树脂具有 良好的耐热性、力学性 能和在各种 环境下的耐候性,使用温度可达护。但由于其固化反应会产生低分子挥发物,因而成型压力高,后固化时 间长,介质损耗也较大。但考虑其综合性能,在一些对材料耐热性要求较高的场合,常采用 改性 酚醛树脂,如前苏联 的萨姆一导 弹。酚 醛 的介电常数因温 度的升高而产生明显的增大,从而 限

9、制 其在高性能超音速导弹上的应用。氰酸酷树脂进人世纪年代后在天线罩方面逐 渐得到应用。它的主要特点是 低的介 电系数、极小的介电损耗正 切值、在 宽的温度频率范围“,内变 化很小、高耐 热 性为一、低吸湿率、瞬时耐热 性热 分 解温度远高于环氧树脂、小 的热胀系数、优良的力学 性 能和粘结性能、具有 与环氧树脂相似的工 艺性、可溶于普通溶剂中、易与增强材料复合、无低分子物析出、可 于固化。目前,氰酸脂树脂已成功应用 于雷达天线罩领域。如公司用一 种异氰酸酷石英纤 维复合材料做成的天线罩,仅为环 氧树脂制备的天线罩介质损耗的,介电常数 降低,吸湿率更小湿态 介电性能更优。有机 硅树脂的突 出优点

10、 是 耐 热性和优良的介电性能,在各种环境条件高温、潮湿下的介电性能都比较稳定。其缺点是机械强度较低,且须高压成型。俄罗斯对有机硅树 脂进行了多年深入系统的研究,已将有机硅 复合材料成功地应用 于战略导弹、火箭以及航天 飞机中。随着导弹飞行 速度 的提高,人 们正大力 研究用于的高超音速导弹天线罩。介电性能独树一 帜 的氟塑料已经 开始进人天线罩领域。其 中美国公司研制的综合性 能较为优越,并且在材料研制的基础 上,用它制作了一的“,一”导弹天线 罩,该公司 目前已取得制作这 一天线罩的权力。具 有 低的介电常数,介电损耗一般 为一火一,为天线 罩 的高透波率创 造了条件在高温时分解为不导电的

11、氟化物,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 的应用川。另外,可 用 于导弹雷达 天线罩 的高性 能热塑 性树脂还有聚矾、聚醚醚酮等。这类复合材料的主要优点是预 浸料无贮存期限制、加工成型周期短、边 角料可 重复利用、吸湿率低、韧性好、耐 化学腐蚀。但由于热塑性 树 脂 要 求 较高的 工艺温度一,且粘度 大,成型压 力高,因此 热塑性树脂预 浸 料的制 备和成型工艺是目前研究的重点。我 国在透波材料树脂体系方面 的研究较 晚,

12、但仍取得 了一定的成果。世纪年代我国在非碳化烧蚀 材料方面已取得成果。在近 几年中,有关单位也做了不少工作。如西北工业大学成功研制出种适用于不同成型 工艺的高性 能改性双马来酞亚胺树脂基体生、和。用频率为的波导短路法测试了其固化树脂的介电性 能,结果表明,固化树脂及其复合材料都具有良好的介电性能。北京 材料工艺研究所选用含氟高聚物复合材料,采用 整体成型一次加工 的新颖技术,成功地研制出球柱形毫米波天线罩。所、北京理工大、南京大学等单位也开展 了许多研究工作,取得了可喜的成果,并完材料导报年月第卷第期成了多型号的飞行和装备任务。导 弹天线罩是一门复杂的边缘学科,而新材料工艺技术是其制作的关键环

13、节,也是未来材料科学发展的一大趋 势,我国在 此方面与发达 国家相比尚有一定差距。磷酸盐体系主要为硅质纤维增强磷酸铝、磷酸铬、磷酸铬 铝等复合材料。经复合固化后磷酸铬以下及磷酸铬铝基复合材料一少的力学、物理性能保持良好,电性 能稳定。磷酸铝在一以下具有稳定的性 能。这类 材 料在巡航导弹、反导、战术型号导弹及航天 飞机上获得了应用。织物结构形式俄罗斯在宇航 复合材料用织物结构及编制工艺领域开展了大量的工作,水平很高。在承力、放热、透波用复合材料方面最具代表性的是高厚布。高厚布最大 的特点是相连或相隔若干层 的平面上的纤维通过机织 相互连接,变形 量大,浸胶后,采用一般的玻璃钢生产设备即可得到高

14、性能的透波复合材料。一般的平板型透波零件都由高厚布压制成型,对于透波 端头体及大尺寸雷达罩,俄方采用如下几种形式,一,三 向编织母向纤维 由内向外分布时,纤维束逐渐加粗,以使横截面上 的纤维 密度均匀。在高度方向,纤维 的含量也比较均 匀,这主要是由于编织工艺采用机械编织,从大头往小头编,并逐渐去掉多余的纤维,从而达到体积均匀的 目的。高厚布缝制采用手工编织,高厚布按一定尺寸剪裁,连接部位采用搭接缝制的方法。每个缝制锥套约厚,多个锥套按一 定错位方 法叠在一起,然后 压制成型。这种方 法速度快,成本低,缝制部位的抗拉强度只下降,经缝口错位后,不影响使用性 能。高厚布机织该方法 的最大优点是周向

15、纱束不断,而呈螺旋型逐渐 往 上织,直 到 编制工作 完成,织物的可靠性明显 增高。温度梯度、相应 的介 电常数。和损耗角正切梯度。图、图是几种典型透波材料在 加热过程 中介电性 能的变化情 况,其中表示 聚二氟乙烯涂 层,表示有 机硅涂 层,测试频率为。通常情况下,设计选材透波材料时,一方面要考虑材料胜能 的使用 范 围,另一方面要考虑材料的性 能 价格比。一 般来讲,对于纤维增强透波材料,当使用 温度低于。时,可选用高硅氧纤维增强复合材料当使用温度高于时,采用 石英纤维增强复合材料更合适一,。石英有机硅石英,氟涂层石英,一石英,甲声矛护户艺卜犷姗幻日习创仪加锡度图材料介 电损耗与温度的关系

16、肪目、沌一一卜一、”、一仲一一翻一一琳一州、卜一介一叶一确,、脸一飞行马赫数弹头飞行马赫数的高低是透波材料研制选材及研制需要考虑 的主要因素之一。在进行材料与工艺方案的设计时,必须考虑透波材料的防热性能和承载能力首先需要满足弹头 的热结构要求。当弹头的飞行马赫数时,是非常优秀 的天线罩材料,但当时,的抗热振性能差,难于满足可靠性 要求。目前,国外已逐渐发展用复合材 料和增韧 陶瓷来代替。在进行高马赫数飞行器异型透波构件的制作时,复合材料体现 出较大的优越性,一。高温飞行时间飞行 时 间,特别是加热时 间对 于选择及评价航天透波材料是关键的 因素之一。中程导弹机动飞行 弹头,不仅飞行马赫数高,且

17、加热时 间相对较长约,条件非 常苛刻。一般来讲,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、有除碳剂的硅树脂基复合材料和复相陶瓷中低马赫数长时间飞行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。幼温度扮加图材料 介 电常数与温度的关系使用温度材料的使用 温度是评价航天透 波材料使用性能的重要参数,也是设计选材 的主要依据之一。除了要考虑材料的高温介电性能能否满足使用要求外,还要考虑材料的防热性和高温承载性能能否满足要求。在高温作用下,材料性能会发生改变,如反应 引起化学成分改变、组分质量比改变、材料热物性改变等。当飞行器高速飞行时,材料表面急剧升温

18、,使材料沿厚度方 向存在应用需求门天线窗材料在战略弹头小型化、多弹头化和核 弹头 战术化的发展趋势下,高速再人天线窗恶劣的使用环境对材料性能提出了苛刻的要求。一般认为,二氧化硅基和氮化硼基材料是针对远程战略导弹使用天线窗的最佳选用对象阳。天线革材料一些武器系统出于末制导、提高锁定目标的准确性和打击准确性的需要,把相关的电气系统放在了弹头的头部,从而提出了研制各种透波天线罩、端头帽的需求,其中小烧蚀量或不烧蚀薄壁宽频高透波率端头 帽是主要的应用需求。如美军在海湾战姗航天透波材料最新研究进展艾涛等争中使用的“铜斑蛇”智能炮弹,头部装有激光制导 系统和透波风帽,使弹头 准确打中目标。随着各种战术导弹

19、智能化和精确制导技术的发展,透波风 帽的需求逐渐增大。对于高马赫数飞行导弹用大尺寸天线罩,主要选用具有优良防热性能的无机材料。目前各军事强国都在研制新型精 确制导地 地、地空、高马赫数巡航导弹、反辐射和反弹道 导弹,促使天线罩材料 向高性能、多 功能方 向发展。结论未来导弹武器 系统 的发展对天线罩提出 了更高的要求,导弹速度和机动能力 的大大提高要求天线罩必须在更高的工作温度和更恶 劣 的环境 中承受更 大 的负载和热冲击,并有更好的传输特性和更低的瞄准误差率。加之未来导弹要求能用于海、陆、空各种不同作战环境,天线罩必须能在其最恶劣的环境中正常工作。红外微波、红外毫米波等双模制导技术、隐身技

20、术、毫米波技术等先进技术的应用 都对天线罩材料及制造技术提出 了更高更新 的要求。作为未来天线罩的材料,除了在电气上要继续满足低介电常数、低损耗特性外,还 必 须具有极为宽的频带特性、高的结构强度和抗雨蚀能 力,经得住的高速气动加热的抗热 冲击能力和相当高的工作温度及便于成型加工的特性,这是今后 一段时 间天线罩材料发展的新方向。因此,热固性树脂中应当重点发展氰酸脂树脂、有机硅树脂等力学性 能、热性 能、电性 能均优的材料。对于要求更高的导 弹,则以高性能热塑性树脂如、等为发展方向,以满足未来导弹的需求阶,司。参考文献,一,一,一一亚,一石毓铁,梁国正,兰立 文树脂基复合材料在导弹雷达天 线罩

21、中的应用材料工程,高建军,靳武刚透波 性 混杂纤维复合材料性能与应 用工程塑料应用,黎义,李建宝,张大海,等 航天透波 多功能复合材料的介电性能分析 宇航材料工艺,全毅,周馨我微 波透波材 料的研 究进 展材料导报,郭玉明低密度烧蚀防热透波多功能复合材料 的研究 玻璃刚 复合材料,。靳武刚芳纶透波复合材料及在天线结构中的应用高性能纤维与应用,胡连成,黎 义,于翘 俄罗斯航天透 波 材料现状考察宇航材料工艺,华宝家,肖高智,杨建生,等碳纤维在结构隐身材料 中的应用研究 宇航材料工艺,王小群,杜善义,韩杰才,等高速宽频带导 弹天线罩的耐烧蚀透波材料研究 复合材料学报,邑,洪皖春功能复合材料的性能与应用国外战术导弹,周玉娟低 密度烧蚀材料 航天部 级所 内部报告,夏 文干,韩养军,杨洁,等高功率 高透 波材料的研究高科技纤维与应用,孟季茹,梁国正,秦华宇,等氰酸醋树脂 在雷达天线罩 中的应用航空工程与维修,郭宝春氰酸 醋树脂的增韧改性 方法中 国塑料,韩桂芳,陈照峰,张立同高温透波材料研究进展航空材料学报,即,温广武,雷廷全,周玉石英基复合材料的研究进展材料工程,雌,责任编辑石味认令示出示必示出示也命出示断科编泌余绍禅钾出示匆碑标绷屯出示奴护狱神命么护黝砰味出示奴神编泌命翻种鞠泌导截私纷么荆靳护纬洲蹄么秘邻洲与鸿朴纸呻示