葉子，段海軍，崔超鵬，經(jīng)瀟倩，張世超，李星月，胡昱琪

(淮北師范大學，安徽 淮北 235000)

0 引言

高溫透波材料指的是在高溫條件下，波長在0.1～100 cm 的范圍內(nèi)并且頻率在3×108到3×1011Hz的范圍內(nèi)，電磁波的透過率大于70% 的材料[1]。按照結(jié)構(gòu)分類，透波材料可以分為兩大類，分別是天線罩和天線窗。根據(jù)化學組成來分，可以把它分成有機透波材料、陶瓷透波材料和陶瓷基復合材料。高溫透波材料可以在各種非常惡劣危險的環(huán)境條件下，保護飛行器的通訊、制導、遙測、引爆等系統(tǒng)的正常工作，被人們廣泛應用于運載火箭、飛船、導彈及返回式衛(wèi)星等再入飛行器[2]。比如天線罩和天線窗用于保護雷達能夠在高速飛行中正常工作，是發(fā)出和接收信號的通道。

隨著高溫透波材料越來越被重視，各國對高溫透波材料都進行了深入研究，特別是陶瓷基復合材料方面，美國在氧化物基透波材料有先進的技術(shù)，俄羅斯在磷酸鹽基透波材料方面的技術(shù)也遙遙領(lǐng)先，中國雖然起步較遲，但也有不錯的成績，在高溫透波材料領(lǐng)域仍然存在著許多問題需要解決。高性能透波材料的研究，與材料、工藝、電學、磁學等方面的知識息息相關(guān)。高溫透波材料的發(fā)展不僅推動了相關(guān)技術(shù)的引導與發(fā)展，還促進了其廣泛應用。

1 國內(nèi)外高溫透波材料現(xiàn)狀

1.1 國外透波材料現(xiàn)狀

國際各國都對高溫透波材料有相關(guān)研究并取得一定的成果，但走在高溫透波材料最前沿的還是美國和俄羅斯，其他一些國家對高溫透波材料也有著或多或少的研究，但仍舊需要不斷進步。

美國于20 世紀50 年代開始高溫透波材料的研制，其第一種商業(yè)化的無機天線罩/窗材料氧化鋁陶瓷材料，成功應用于“麻雀III”和“響尾蛇”等早期飛行器[3]。美國的飛歌福特和通用電力[4]這兩家公司采用無機先驅(qū)體浸漬-燒成工藝制備出了3D 石英纖維增強二氧化硅復合材料。美國航空材料實驗室[5]用一種熔融石英纖維增強二氧化硅材料制造出了一款天線罩。

俄羅斯(包括前蘇聯(lián))幾十年來一直在致力于研究用于航空航天的高溫透波材料，并且已經(jīng)有了一套成熟且擁有自己特色的工藝技術(shù)和材料系統(tǒng)。俄羅斯對磷酸鹽基的性能、結(jié)構(gòu)、工藝等方面都有著豐富的經(jīng)驗和較為全面的了解[6]。磷酸鹽基復合材料是由布塊或織物經(jīng)磷酸鹽溶液浸漬后加壓固化而得，經(jīng)復合固化處理后的磷酸鉻及磷酸鉻鋁基復合材料，自身的各項力學、物理性能、電性能依舊保持恒定和狀態(tài)穩(wěn)定，而且高性能磷酸鋁可以基本保證它在1 500～1 800 ℃以下時還具有相對狀態(tài)穩(wěn)定的性能[7]。

1976 年，日本的一名學者I.Taniguchi[8]報告中首次提到使用有機前驅(qū)體生產(chǎn)BN 纖維。隨后，日本的Funayama[9]等通過制備的聚硼硅氮烷有機前驅(qū)體獲得SiBN 纖維。

1.2 國內(nèi)透波材料現(xiàn)狀

雖然國內(nèi)在透波材料領(lǐng)域方面的研究相對于一些國家而言起步較遲，但是無論是在陶瓷復合材料領(lǐng)域還是在纖維增強陶瓷基復合材料領(lǐng)域都有研究。

國內(nèi)已經(jīng)有幾十年關(guān)于石英陶瓷天線罩/ 窗研制并且成功投入生產(chǎn)的歷史，產(chǎn)品構(gòu)件質(zhì)量已經(jīng)十分穩(wěn)定，已經(jīng)先后被成功應用在多個地空、空空飛行器發(fā)動機葉片上。國防科技大學的王思青等[10]在20 世紀90 年代研究了氮化硅纖維母體聚硅氮烷的合成和表征。在硅硼氮纖維方面，國防科學技術(shù)大學的唐云[11]等人以BTC、DCMS 和HMDZ 和其他單體為原料獲得SiBN 纖維。在磷酸鹽基透波方面，北京玻璃纖維設(shè)計研究院[12]研發(fā)出的石英玻璃強化磷酸鋁復合材料在溫度為1 200 ℃左右的天線窗和小型的透波隔熱零件的材料方面有著廣泛應用。此外，哈爾濱工業(yè)大學[10]研發(fā)出將石英纖維涂覆的磷酸鋁溶液中層壓后在低溫下燒結(jié)，從而獲得了抗彎強度為84 MPa 的二氧化硅纖維增強的磷酸鹽復合材料。未來中國的高超聲速飛行器對高耐燒蝕天線罩的需求將會更大，我國從20 世紀70 年代開始嘗試氮化硼纖維的大規(guī)模制備。其中具有更高的耐溫特性的氮化硼纖維較石英纖維，將更有望成為高溫透波復合材料增強體。

2 透波材料的性能要求

天線罩位于飛行器的頂部，所以承受的氣動載荷較大。天線罩的外形較為容易發(fā)生變化，為了降低變形的可能性，應該提高材料的力學性能。并且，為了保證導彈能夠順利并且精確地制導及引爆，在電氣性能方面，天線罩的要求還得提高。

2.1 優(yōu)良的高溫力學性能

透波材料通常作為承載材料使用，為了使材料在一定載荷條件下，外形不發(fā)生變化且保持其完整性，應保證強度和剛度的要求。飛行中馬赫數(shù)的平方越大，高速火箭的氣動熱感應溫升就越快，飛行速度越高，空氣動力變暖效果越明顯。當飛行器以低速在空中飛行時，天線罩的表面溫度可以達到800 ℃左右；當空速為6 Ma時，機罩溫度達到1 400 ℃左右。當空速達到8～12 Ma時，飛行器的表面溫度可以高達2 200 ℃左右[13]。新的高超音速火箭還具有飛行距離長等特點，這意味著天線罩必須長時間保持良好的高溫承載性能。

2.2 良好的熱抗震性

在使用天線罩時，其瞬時加熱速率可以達到甚至超過一百攝氏度每秒，該材料會受到劇烈的熱沖擊。因此，透波材料必須能夠抵抗到一定的熱沖擊即具有良好的抗熱震性能，材料機械性能和熱性能是熱抗震性的具體表現(xiàn)。通常會用抗熱沖擊系數(shù)R來描述材料的熱抗震性。材料熱導率和熱膨脹系數(shù)也會影響材料的抗熱震性。如果材料的熱膨脹系數(shù)較高，那么其具有較差的抗熱震性，由熱震應力引起的裂紋也較多[14]。

2.3 抗粒子云侵蝕

透波材料對環(huán)境要有一定的抵抗能力與承受能力，例如抵抗顆粒云蝕和防雨蝕，由于透波材料能在十分復雜的壞境中使用，因此在航天器中使用了許多透波材料。導彈的全天候工作條件要求導彈穿過各種水平的大氣環(huán)境，例如：自由分子流、過量流和連續(xù)流。它經(jīng)常遇到水凝結(jié)，例如：雨滴、雪花、冰晶和漂浮在大氣中的塵埃顆粒。當彈頭飛入該環(huán)境并再次進入時，它會與這些粒子高速碰撞，從而引起天線罩表面的燒蝕和質(zhì)量損失[15]，如圖1 所示。水侵蝕不利于材料的介電性能，甚至可能導致材料分層、剝落并嚴重損壞材料，這將影響彈頭的射擊準確性。因此，對于透波材料來說，一定的表面硬度和防潮性是必不可少的。

2.4 優(yōu)異的介電性能

作為制導系統(tǒng)的一部分，對天線罩的電氣性能有著較高的要求，例如磁導率。它主要受材料ε 和tanδ的影響。介電常數(shù)作為一個物理量，它反映的是使介質(zhì)極化的難易程度，而tanδ反映了當材料被電磁波穿過時的信號衰減的變化。高介電常數(shù)和tanδ容易增強電磁波在透波材料和空氣界面處的反射。并且增加電磁波穿過材料時發(fā)生的熱轉(zhuǎn)換，進而降低傳輸率。

材料的介電性能都能被材料的孔隙率、孔的直徑、溫度和頻率等因素影響。其中，如果溫度和頻率一定時，孔隙率能改變材料的介電性能?？紫堵试礁?，燒結(jié)體的介電常數(shù)越低，而系統(tǒng)的介電常數(shù)越小，孔徑分布范圍越小。在強度滿足的條件下，低的孔隙率增大材料的介電常數(shù)。

2.5 影響材料透波的因素

為了提高材料波的傳輸性能，理論上應滿足以下兩點：(1)材料無色散；(2)材料無吸收。因為在固體材料中的折射率不一致造成了色散，所以陶瓷材料中的顆粒極限能夠改變波的投射性。

電磁波能被吸收的原因可以分為兩種：(1) 被材料中所存在的雜質(zhì)吸收。以田卓等[16]提出以大量h-BN、SiO2和AlN 粉體氧化物為主要實驗原料，通過低溫熱壓和燒結(jié)兩種工藝成功制備和分離了氮化硼基復合陶瓷材料并以此為典例，AlN 的添加對BNSiO2高溫力學性能也具有明顯的提升效果，此處運用的就是AIN 粉末的吸收能力；(2) 材料的固有吸收。這表明原材料本身的優(yōu)良性能對材料的透波性也有著一定的影響[17]。

3 結(jié)語

在今后的發(fā)展中高溫透波材料主要還是在傳統(tǒng)透波材料的改性和透波材料的復合這兩方面，需要解決一些不足和提高所需的性能要求。對于磷酸鹽基透波材料來說，由于其沒有強的吸濕性，容易受潮，并且磷酸鹽基透波材料在高溫下不穩(wěn)定，其性能較差，如何改善這些缺點還未有較好的工藝。在復合材料方面，主要以用一種材料的優(yōu)點來彌補另一種材料的缺點的方式來制備出性能更優(yōu)良的材料。此外，在研究透波材料的基本結(jié)構(gòu)和特性方面的記載還不夠具體，如高溫下的電性能變化的規(guī)律、熱物理性能、力學性能、殘?zhí)悸实刃阅堋?/p>