高温透波材料研究及进展

叶子，段海军，崔超鹏，经潇倩，张世超，李星月，胡昱琪

(淮北师范大学，安徽 淮北 235000)

0 引言

高温透波材料指的是在高温条件下，波长在0.1～100 cm 的范围内并且频率在3×108到3×1011Hz的范围内，电磁波的透过率大于70% 的材料[1]。按照结构分类，透波材料可以分为两大类，分别是天线罩和天线窗。根据化学组成来分，可以把它分成有机透波材料、陶瓷透波材料和陶瓷基复合材料。高温透波材料可以在各种非常恶劣危险的环境条件下，保护飞行器的通讯、制导、遥测、引爆等系统的正常工作，被人们广泛应用于运载火箭、飞船、导弹及返回式卫星等再入飞行器[2]。比如天线罩和天线窗用于保护雷达能够在高速飞行中正常工作，是发出和接收信号的通道。

随着高温透波材料越来越被重视，各国对高温透波材料都进行了深入研究，特别是陶瓷基复合材料方面，美国在氧化物基透波材料有先进的技术，俄罗斯在磷酸盐基透波材料方面的技术也遥遥领先，中国虽然起步较迟，但也有不错的成绩，在高温透波材料领域仍然存在着许多问题需要解决。高性能透波材料的研究，与材料、工艺、电学、磁学等方面的知识息息相关。高温透波材料的发展不仅推动了相关技术的引导与发展，还促进了其广泛应用。

1 国内外高温透波材料现状

1.1 国外透波材料现状

国际各国都对高温透波材料有相关研究并取得一定的成果，但走在高温透波材料最前沿的还是美国和俄罗斯，其他一些国家对高温透波材料也有着或多或少的研究，但仍旧需要不断进步。

美国于20 世纪50 年代开始高温透波材料的研制，其第一种商业化的无机天线罩/窗材料氧化铝陶瓷材料，成功应用于“麻雀III”和“响尾蛇”等早期飞行器[3]。美国的飞歌福特和通用电力[4]这两家公司采用无机先驱体浸渍-烧成工艺制备出了3D 石英纤维增强二氧化硅复合材料。美国航空材料实验室[5]用一种熔融石英纤维增强二氧化硅材料制造出了一款天线罩。

俄罗斯(包括前苏联)几十年来一直在致力于研究用于航空航天的高温透波材料，并且已经有了一套成熟且拥有自己特色的工艺技术和材料系统。俄罗斯对磷酸盐基的性能、结构、工艺等方面都有着丰富的经验和较为全面的了解[6]。磷酸盐基复合材料是由布块或织物经磷酸盐溶液浸渍后加压固化而得，经复合固化处理后的磷酸铬及磷酸铬铝基复合材料，自身的各项力学、物理性能、电性能依旧保持恒定和状态稳定，而且高性能磷酸铝可以基本保证它在1 500～1 800 ℃以下时还具有相对状态稳定的性能[7]。

1976 年，日本的一名学者I.Taniguchi[8]报告中首次提到使用有机前驱体生产BN 纤维。随后，日本的Funayama[9]等通过制备的聚硼硅氮烷有机前驱体获得SiBN 纤维。

1.2 国内透波材料现状

虽然国内在透波材料领域方面的研究相对于一些国家而言起步较迟，但是无论是在陶瓷复合材料领域还是在纤维增强陶瓷基复合材料领域都有研究。

国内已经有几十年关于石英陶瓷天线罩/ 窗研制并且成功投入生产的历史，产品构件质量已经十分稳定，已经先后被成功应用在多个地空、空空飞行器发动机叶片上。国防科技大学的王思青等[10]在20 世纪90 年代研究了氮化硅纤维母体聚硅氮烷的合成和表征。在硅硼氮纤维方面，国防科学技术大学的唐云[11]等人以BTC、DCMS 和HMDZ 和其他单体为原料获得SiBN 纤维。在磷酸盐基透波方面，北京玻璃纤维设计研究院[12]研发出的石英玻璃强化磷酸铝复合材料在温度为1 200 ℃左右的天线窗和小型的透波隔热零件的材料方面有着广泛应用。此外，哈尔滨工业大学[10]研发出将石英纤维涂覆的磷酸铝溶液中层压后在低温下烧结，从而获得了抗弯强度为84 MPa 的二氧化硅纤维增强的磷酸盐复合材料。未来中国的高超声速飞行器对高耐烧蚀天线罩的需求将会更大，我国从20 世纪70 年代开始尝试氮化硼纤维的大规模制备。其中具有更高的耐温特性的氮化硼纤维较石英纤维，将更有望成为高温透波复合材料增强体。

2 透波材料的性能要求

天线罩位于飞行器的顶部，所以承受的气动载荷较大。天线罩的外形较为容易发生变化，为了降低变形的可能性，应该提高材料的力学性能。并且，为了保证导弹能够顺利并且精确地制导及引爆，在电气性能方面，天线罩的要求还得提高。

2.1 优良的高温力学性能

透波材料通常作为承载材料使用，为了使材料在一定载荷条件下，外形不发生变化且保持其完整性，应保证强度和刚度的要求。飞行中马赫数的平方越大，高速火箭的气动热感应温升就越快，飞行速度越高，空气动力变暖效果越明显。当飞行器以低速在空中飞行时，天线罩的表面温度可以达到800 ℃左右；当空速为6 Ma时，机罩温度达到1 400 ℃左右。当空速达到8～12 Ma时，飞行器的表面温度可以高达2 200 ℃左右[13]。新的高超音速火箭还具有飞行距离长等特点，这意味着天线罩必须长时间保持良好的高温承载性能。

2.2 良好的热抗震性

在使用天线罩时，其瞬时加热速率可以达到甚至超过一百摄氏度每秒，该材料会受到剧烈的热冲击。因此，透波材料必须能够抵抗到一定的热冲击即具有良好的抗热震性能，材料机械性能和热性能是热抗震性的具体表现。通常会用抗热冲击系数R来描述材料的热抗震性。材料热导率和热膨胀系数也会影响材料的抗热震性。如果材料的热膨胀系数较高，那么其具有较差的抗热震性，由热震应力引起的裂纹也较多[14]。

2.3 抗粒子云侵蚀

透波材料对环境要有一定的抵抗能力与承受能力，例如抵抗颗粒云蚀和防雨蚀，由于透波材料能在十分复杂的坏境中使用，因此在航天器中使用了许多透波材料。导弹的全天候工作条件要求导弹穿过各种水平的大气环境，例如：自由分子流、过量流和连续流。它经常遇到水凝结，例如：雨滴、雪花、冰晶和漂浮在大气中的尘埃颗粒。当弹头飞入该环境并再次进入时，它会与这些粒子高速碰撞，从而引起天线罩表面的烧蚀和质量损失[15]，如图1 所示。水侵蚀不利于材料的介电性能，甚至可能导致材料分层、剥落并严重损坏材料，这将影响弹头的射击准确性。因此，对于透波材料来说，一定的表面硬度和防潮性是必不可少的。

2.4 优异的介电性能

作为制导系统的一部分，对天线罩的电气性能有着较高的要求，例如磁导率。它主要受材料ε 和tanδ的影响。介电常数作为一个物理量，它反映的是使介质极化的难易程度，而tanδ反映了当材料被电磁波穿过时的信号衰减的变化。高介电常数和tanδ容易增强电磁波在透波材料和空气界面处的反射。并且增加电磁波穿过材料时发生的热转换，进而降低传输率。

材料的介电性能都能被材料的孔隙率、孔的直径、温度和频率等因素影响。其中，如果温度和频率一定时，孔隙率能改变材料的介电性能。孔隙率越高，烧结体的介电常数越低，而系统的介电常数越小，孔径分布范围越小。在强度满足的条件下，低的孔隙率增大材料的介电常数。

2.5 影响材料透波的因素

为了提高材料波的传输性能，理论上应满足以下两点：(1)材料无色散；(2)材料无吸收。因为在固体材料中的折射率不一致造成了色散，所以陶瓷材料中的颗粒极限能够改变波的投射性。

电磁波能被吸收的原因可以分为两种：(1) 被材料中所存在的杂质吸收。以田卓等[16]提出以大量h-BN、SiO2和AlN 粉体氧化物为主要实验原料，通过低温热压和烧结两种工艺成功制备和分离了氮化硼基复合陶瓷材料并以此为典例，AlN 的添加对BNSiO2高温力学性能也具有明显的提升效果，此处运用的就是AIN 粉末的吸收能力；(2) 材料的固有吸收。这表明原材料本身的优良性能对材料的透波性也有着一定的影响[17]。

3 结语

在今后的发展中高温透波材料主要还是在传统透波材料的改性和透波材料的复合这两方面，需要解决一些不足和提高所需的性能要求。对于磷酸盐基透波材料来说，由于其没有强的吸湿性，容易受潮，并且磷酸盐基透波材料在高温下不稳定，其性能较差，如何改善这些缺点还未有较好的工艺。在复合材料方面，主要以用一种材料的优点来弥补另一种材料的缺点的方式来制备出性能更优良的材料。此外，在研究透波材料的基本结构和特性方面的记载还不够具体，如高温下的电性能变化的规律、热物理性能、力学性能、残碳率等性能。