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一文了解雷达天线罩陶瓷材料


来源:中国粉体网   平安

[导读]  一方面,雷达天线罩要能保护天线系统免受外界恶劣的气候环境的影响,另一方面还要保证天线系统对信号的传输要求。对天线罩材料和工艺的研究已经成为国防领域的研究热点。

中国粉体网讯  雷达天线罩是飞行器雷达天线的重要保护装置,起着透波、防热、防机械损伤等作用,雷达天线罩性能的好坏直接关系到天线系统能否正常工作。一方面,雷达天线罩要能保护天线系统免受外界恶劣的气候环境的影响,另一方面还要保证天线系统对信号的传输要求。对天线罩材料和工艺的研究已经成为国防领域的研究热点。

一般情况下,天线罩材料须满足以下条件:

  • 优良的介电性能;

  • 抗热冲击性能好;

  • 力学性能优异;

  • 密度小;

  • 容易加工。



    (来源:网络)


早期的天线罩材料为有机聚合物及其纤维织物增强复合材料,随着航空航天技术的发展,诸多飞行器的飞行速度大幅提升,现今导弹的普遍速度更是达到2Ma以上,由于有机聚合物在高温下会裂解,已经无法适应高速飞行带来的恶劣环境,有机聚合物材料逐渐被时代所淘汰。目前,国内外天线罩材料主要有氧化铝、石英、氮化物、微晶玻璃等。


雷达天线罩材料体系各项参数

氧化铝陶瓷

氧化铝是最早商业化的单一氧化物陶瓷透波材料,已在响尾蛇和麻雀Ⅲ等导弹上得到了成功应用,其主要优点是强度高、硬度高、抗雨蚀性能好。缺点是介电(ε=9.6)性能差,热膨胀系数(α=8.4×10-6-1)和弹性模量较高,缺乏足够的抗热冲击性能。

石英陶瓷

石英陶瓷具有相对较低的密度和热膨胀系数,使其热防护性能与抗热冲击性能较为出众,此外石英陶瓷的介电损耗与介电常数较低。熔融石英的介电常数ε为3.4,介电损耗tanδ为0.4×10-3。在透波材料中,除了各向同性热解BN外,熔融石英陶瓷为介电性能中最为优异的材料,其成型工艺比较成熟,在制备不同形状和尺寸产品方面易于实现,目前已经成功应用于防空导弹天线罩材料领域。在国内,山东工业陶瓷研究设计院利用动态注凝成型工艺和高精度低应力冷加工技术相结合,制备的石英陶瓷天线罩,已实现了批量化生产。

但是,石英陶瓷的劣势也比较明显,由于是脆性材料,其抗弯强度相对较低,断裂韧性为1.0MPa·m½,抵抗灾难性破坏的能力较差,此外耐高温(1200℃)性差、不耐雨蚀,限制了这种材料的应用,仅能够用于制作低马赫导弹所需的透波材料,且也无法满足薄壁结构和高过载的使用要求。

莫来石陶瓷

莫来石陶瓷为Al2O3-SiO2二元体系中唯一稳定存在的化合物,化学式为3Al2O3·2SiO2。莫来石陶瓷具有高熔点(1870℃)、低热导率(5.48W/(m·K))及线膨胀系数(20~400℃,平均值为4.2×10-6/K)、低弹性模量(200GPa)、低介电常数(25℃,1MHz下为6.4~7.0),常被用作高温隔热部件、电子封装材料、热交换器部件、激光晶体材料、透波材料等。

氮化物陶瓷

氮化物系列陶瓷(氮化硅、氮化硼、氮氧化硅等)自身具有良好的介电性能,与石英陶瓷相比,在力学性能以及耐高温等方面有着无可比拟的优势,被众多研究者所青睐,并进行了大量的研究。目前,美法俄等西方军事强国研制出BN/Si3N4透波材料,并采用这种复合材料制备出了达到实用化水平的高马赫数导弹天线罩。

氮化硼陶瓷(一般指六方氮化硼,h-BN)具有和石墨相似的层状结构且层与层之间以结合力很弱的范德华力相互结合,使其具有低硬度、润滑性好、低弹性模量、可加工性优良的特性,此外,其耐热性及耐化学腐蚀性好并且具有优良的电绝缘性,因此被广泛应用于航空航天、冶金及化工等领域。尽管其具有优良的介电性能,但受其力学性能偏低、高热导率、较差的抗雨蚀性能等限制,使得单相BN陶瓷尚未在天线罩材料上得到应用,目前研究较多的是BN纤维以及BN复合材料在天线罩材料上的应用。

Si3N4陶瓷不仅具有优异的力学性能(强度高、硬度高),而且耐高温、抗热冲击、抗氧化及抗雨蚀性能良好,加上适中的介电性能,被美国Georgia技术研究所称为最有希望的天线罩材料。然而相比于其他无机透波材料体系而言,Si3N4陶瓷的相对介电常数较高(常温10GHz下,相对介电常数为5.6,损耗角正切值为0.0040),如何改善其断裂韧性及介电性能成为研究热点。

氮氧化硅(Si2N2O)陶瓷是一种综合性能优异的高温结构陶瓷材料,它具有相对较低的理论密度(2.81g/cm3),较高的硬度(17~22GPa),较低的介电常数(20℃,10GHz下为4.80),较低的热膨胀系数(3.5×10-6K-1),良好的抗热冲击性能及抗氧化性能、化学性质稳定且优于Si3N4、抗辐射性能,使其在航空航天、核能等领域具有广泛的应用前景。已在超音速飞行器上获得应用的Si2N2O纳米复合材料具有良好的介电性能(20℃,介电常数为4.78,损耗角正切值为0.0014),抗弯强度为190MPa,硬度达到了石英陶瓷的2~5倍。

塞隆陶瓷

为综合Si3N4良好的抗热震性能以及Al2O3优异的烧结性,英国陶瓷学家以及日本学者在1971~1972年独立发现Al2O3可以固溶到β-Si3N4晶格当中形成固溶体这一现象。Si3N4中的Si、N原子可被Al2O3中的Al、O原子部分置换形成置换型固溶体,没有生成新的晶体结构,相应的晶胞尺寸增大,这是一种由Si-Al-O-N元素组成的新型陶瓷材料,即塞隆陶瓷(SiAlON)。

美国通用电气(GE)公司早在20世纪80年代研发出天线罩新型材料GD-1,成分组成为Si6-xAlxOxNx(x≈2),使用温度可高达1510℃,具有优异于微晶玻璃的强度及抗热震性能,在10GHz下介电常数和损耗角正切值分别为6.8,0.001。

参考资料:

李伶.隐身-透波一体化Si3N4基陶瓷材料的制备与结构设计.哈尔滨工业大学

张笑妍.新型多孔陶瓷天线罩材料的制备及其性能研究.清华大学

陈小浪.陶瓷基频率选择表面的设计与制备.电子科技大学

兰天.空心微珠法制备多孔陶瓷天线罩材料及性能研究.大连交通大学

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