導彈天線罩用陶瓷材料研究進展
摘要：天線罩是導彈前端的重要組成部件，對材料體系的要求極為嚴格，陶瓷材料因其優異的性能成為國內外研究的熱點。本文從天線罩材料應具備的基本性能入手，簡要介紹了天線罩用陶瓷材料的研究進展和現狀，并對主要材料體系的性能和研究熱點進行了綜述。
1 引 言
天線罩是制導武器彈頭上一種集承載、透波、防熱、耐蝕、導流等多功能于一體的結構／功能部件，可保護導彈在惡劣環境條件下進行通訊、遙測、制導、引爆等工作。材料體系的研究是天線罩技術發展的基礎和技術保證，對天線罩技術的發展起著非常重要的作用，隨著現代導彈性能的不斷提高，對導彈天線罩材料的研究與改進就顯得愈加重要和迫切。
天線罩材料需要滿足導彈氣動外形、熱載荷、機械載荷、電氣性能及惡劣環境等多方面的要求，因此限制了天線罩材料的設計和選擇種類。陶瓷材料因具有較高的力學性能、適宜的介電性能及較好的耐熱性能而成為天線罩的選材料之一。
本文就天線罩用陶瓷材料應具備的基本性能、國內外發展狀況和材料體系進行了綜述。
2 天線罩材料應具備的基本性能
天線罩的性能依賴于所選擇的材料，天線罩材料應具備以下特性：
①介電常數(小于10)和介電損耗（小于0.01)低，介電性能不隨溫度和頻率產生明顯變化，高溫工作狀態下性能穩定，以保證在氣動加熱條件下盡可能不失真地透過電磁波；此外低介電常數的材料還能給天線罩帶來寬頻帶響應，允許放寬壁厚公差，降低制造成本；
②良好的常溫和高溫力學性能，使飛行中的天線罩能承受導彈的氣動加熱、加載條件，滿足一定載荷條件下的強度和剛度要求并保持結構完整；
③低的膨脹系數和高的彈性模量，抗熱震性能優異，以免在大的溫升速度和高溫差下失效；
④耐沖刷、耐雨蝕能力強，抗粒子云侵蝕，以保證導彈在雨水沖刷和輻射等環境下的戰斗力，具備全天候工作的能力；
⑤良好的工藝性、可加工性和經濟性。
3 天線罩用陶瓷材料的國內外研究狀況
為滿足導彈天線罩的需求，天線罩材料經過了纖維增強塑料、氧化鋁陶瓷、微晶玻璃、石英陶瓷、氮化硅陶瓷到天線罩復合材料的發展歷程。
3.1 國外研究進程
氧化鋁陶瓷是種商業化高溫天線罩材料，之后為改善其抗熱震性能國外進行了氮化硼改性氧化鋁陶瓷的研究。20世紀50年代后期，美國開發出TiO2為晶核劑的微晶玻璃體系，廣泛代替氧化鋁陶瓷，用于馬赫數3~4的導彈天線罩。60年代開始，美國著手研究磷酸鹽高溫天線罩材料，之后德國、前蘇聯等均在該領域不斷深入探索，得到了性能較好的磷酸鹽基復合材料。俄羅斯在磷酸鹽基復合材料領域的研究已有幾十年的歷史，對各種磷酸鹽，的結構、性能及工藝有較全面的了解。[-page-]
50年代末期，美國研制了泥漿澆注熔融石英材料，70年代以后被廣泛應用于多種型號導彈上，如美國的“愛國者”防空導彈和意大利“阿斯派特’得彈，二者都是半波長壁厚結構。為克服石英陶瓷力學和抗侵蝕能力差的缺點，從70年代開始，美國開始研制不同結構三維多向石英或氮化硼織物增強二氧化硅基復合材料。同時，美國航空實驗室研制開發了用于制作天線罩的熔融石英纖維增強氧化硅材料，具有比粉漿澆注熔融石英更好的抗沖擊性能和更高的彎曲應變能力。俄羅斯在幾種中程精確制導導彈中采用復合材料天線罩或復相陶瓷。
從20世紀70年，代起以氮化硅為基體組成的陶瓷基復合材料天線罩的研究得到了重視，法國已成功采用氮化硅／氮化硼復合材料制備天線罩；俄羅斯采用氮化物基復合材料制備出了天線罩，現已達到實用化水平。目前研究氮化硅材料體系較多的是通過設計天線罩的結構使天線罩能在微波或毫米波段范圍實現更寬頻帶的高透波要求。
3.2 國內研究現狀
我國在天線罩材料和制備工藝的研究開始于20世紀70年代末期，經驗較少，但也取得了一定進展，已能獨立自主地設計和制造包括導彈天線罩在內的各類天線罩。國內先后研制了石英玻璃材料、高硅氧穿刺織物和正交三向石英織物增強二氧化硅基復合材料，已經獲得應用。目前研究重點主要放在二氧化硅、氮化硼、氮化硅陶瓷體系上，同時對陶瓷基復合材料的組分、結構設計和制備工藝進行不斷探索。連續纖維增強陶瓷基復合材料能夠有效克服脆性陶瓷基體對裂紋和熱沖擊的敏感性，成為近年來的研究熱點。
目前國內不同天線罩材料體系的發展很不平衡，需要不斷學習國外先進導彈天線罩的生產經驗，促進工藝技術的不斷改進，使新型陶瓷材料在導彈天線罩上獲得廣泛應用。
4 天線罩用陶瓷材料體系
在天線罩用陶瓷材料體系方面，目前主要集中準以下幾種：氧化鋁體系、微晶玻璃體系、磷酸鹽體系、二氧化硅體系、氮化物體系。
4.1 氧化鋁體系
氧化鋁是早應用于天線罩的單一氧化物陶瓷，強度高、硬度大、不存在雨蝕問題，但抗熱沖擊性能差，介電常數高并隨溫度變化過大，對天線罩壁厚公差要求很嚴。氧化鋁陶瓷只適用于馬赫數＜3的導彈，馬赫數在3以上時，氣動加熱將引起天線罩“熱炸”問題。此外氧化鋁可以作為其它天線罩陶瓷材料的燒結助劑使用，是目前研究多的燒結助劑材料之一。目前氮化硼改性氧化鋁復相陶瓷的研究取得了良好，彌散的氮化硼顆粒顯著改善了氧化鋁陶瓷的脆性，獲得了較好的抗熱沖擊性能。
4.2 微晶玻璃體系
微晶玻璃是美國康寧公司為配合美國海軍“小獵犬”導彈計劃，于上世紀50年代中期發明的一種新型無機材料，具有高強度和高耐熱性、介電常數和損耗角正切低、膨脹系數低、介電常數隨溫度和頻率的改變變化小等優點，但其工藝較復雜，成型和晶化處理工藝難以控制。 [-page-]
微晶玻璃材料天線罩曾廣泛應用于馬赫數為4及4以下的場合，但材料高溫穩定性的限制使其不能承受超高音速飛行時的熱沖擊。為進一步提高微晶玻璃的抗熱沖擊性能，相關人員進行了大量的改性工作。
4.3 磷酸鹽體系
應用于航天透波領域的磷酸鹽復合材料主要是硅質纖維增強硫酸鋁、磷酸鉻及磷酸鉻鋁復合材料，一般為布塊或織物經磷酸鹽溶液浸漬后加壓固化而得。磷酸鉻、磷酸鋁和磷酸鉻鋁復合材料分別在1200℃、1500℃、1500~1800℃條件下具有穩定的力學性能。英國電氣公司研制出以磷酸鹽為晶核的玻璃-陶瓷天線罩材料，具有很好的力學性能、耐熱性能和介電性能。
4.4 二氧化硅體系
二氧化硅材料主要指石英玻璃、石英陶瓷材料與石英纖維織物增強二氧化硅基復合材料，它的介電常數和介電損耗小、熱膨脹系數極低、化學穩定性好、熔點較高。
高純二氧化硅材料密度低、熱膨脹系數小、介電性能和抗熱沖擊性能優良，高溫融化后的熔融態因豁度大而不易被氣流沖刷流失。石英陶瓷是采用泥漿澆鑄和燒結等制造工藝方法所制得的不透明陶瓷質材料，適用于馬赫數3~5的導彈天線罩，能滿足再入環境條件下的熱絕緣和抗熱沖擊特性要求以及雷達透明性要求。
石英陶瓷具有突出的抗熱沖擊性能、低介電常數和低損耗角正切、低膨脹系數，介電常數對頻率與溫度十分穩定，制造工藝成熟，成本適中等優點，但也存在一些缺陷，主要是：①室溫強度相對較低，對于高速大過載導彈天線罩的應用極為不利；②含10%左右的氣孔，易吸潮，引起天線罩電性能的降低；③抗雨蝕能力和耐高溫能力差，必須采用防護措施。
為改善石英陶瓷的性能，纖維增強技術的研究得到較多關注?？梢约尤氲脑鰪娎w維材料有三向石英纖維編織體或石英玻璃短纖維、硼硅酸鋁纖維、氮化硼纖維等。一般來說，高馬赫數短時間飛行可采用硅質纖維增強二氧化硅基復合材料、含除碳劑的硅樹脂基復合材料或復相陶瓷。經纖維增強后的石英陶瓷材料天線罩在電性能方面不會受到影響，材料的介電性能穩定．且強度比原來提高14%左右。
4.5氮化物體系
氮化物陶瓷復合材料具有優良的高溫熱學、力學、電學性能，制備成本低，它的應用是擴大航天透波材料領域的必然趨勢。氮化硅和氮化硼是針對更高馬赫數導彈天線罩的主要的候選材料。
氮化硅陶瓷材料具有非常好的力學性能、較低的介電常數、較高的抗雨蝕和抗熱沖擊性能，可緩解石英陶瓷強度低、雨蝕性差的問題，這些優異的性能使得氮化硅陶瓷成為天線罩的優選材料，主要工作于馬赫數不超過6的范圍內。[-page-]
常用的制備氮化硅陶瓷的方法有反應燒結、常壓燒結、熱壓燒結、氣壓燒結、等離子放電燒結、熱等靜壓燒結。人們將研究集中在兩種氮化硅材料中：①反應燒結氮化硅，硅和氮在反應時通過火焰噴射將硅粉熔融形成坯件；②熱壓氮化硅，硅和氮反應生成的粉狀物經熱壓形成坯件。反應燒結氮化硅比熱壓氮化硅密度低，具有低的介電常數，更適合于在高速導彈上應用。無論采用哪種燒結方式，陶瓷材料的脆性始終限制它的應用，目前常用柱狀β-SiN自增韌、顆粒增韌和纖維或晶須增韌等方式使其性能得以改進，一般情況下，纖維的增韌效果比較好。
氮化硼陶瓷材料具有極高的升華熱、優良的介電性能、突出的熱震性和低的密度，但抗雨蝕能力差，且由于工藝問題難以制成較大形狀坯件。采用氮化硅和氮化硼制備的復合材料有更穩定的熱物理性能，較低的介電常數以及優良的力學性能，能夠承載高馬赫飛行條件下對天線罩材料的防熱、承載要求，改善氮化硅和氮化硼單獨作為天線罩材料的不足。
氮化硅、石英和氮化硼的復合體系作為陶瓷天線罩材料的研究和應用．是擴大航天誘波材料領域的必然趨勢，有重大的研究價值和市場前景。
5 發展前景
從天線罩結構考慮，進行結構設計與制備的研究，制備寬頻帶高透波率導彈天線罩是今后的發展方向。新型陶瓷天線罩材料可滿足先進導彈高馬赫數飛行的使用要求，具有工作溫度高、高溫燒蝕率低、性能穩定、不吸水、不吸潮、強度高等特點。我國總體技術水平與國際水平仍存在差距，需要大力加強基礎研究．開展低成本高性能的均相陶瓷基復合材料的研究。
熔融石英陶瓷及三維編織增強石英陶瓷在目前受到廣泛關注。隨著工藝技術的不斷改進，氮化硅及其復合材料在高速導彈天線罩上的應用會越來越廣泛。關于材料體系的研究工作大多集中在高性能增強纖維開發、新型制備工藝與復合材料設計、性能研究等方面。
1 引 言
天線罩是制導武器彈頭上一種集承載、透波、防熱、耐蝕、導流等多功能于一體的結構／功能部件，可保護導彈在惡劣環境條件下進行通訊、遙測、制導、引爆等工作。材料體系的研究是天線罩技術發展的基礎和技術保證，對天線罩技術的發展起著非常重要的作用，隨著現代導彈性能的不斷提高，對導彈天線罩材料的研究與改進就顯得愈加重要和迫切。
天線罩材料需要滿足導彈氣動外形、熱載荷、機械載荷、電氣性能及惡劣環境等多方面的要求，因此限制了天線罩材料的設計和選擇種類。陶瓷材料因具有較高的力學性能、適宜的介電性能及較好的耐熱性能而成為天線罩的選材料之一。
本文就天線罩用陶瓷材料應具備的基本性能、國內外發展狀況和材料體系進行了綜述。
2 天線罩材料應具備的基本性能
天線罩的性能依賴于所選擇的材料，天線罩材料應具備以下特性：
①介電常數(小于10)和介電損耗（小于0.01)低，介電性能不隨溫度和頻率產生明顯變化，高溫工作狀態下性能穩定，以保證在氣動加熱條件下盡可能不失真地透過電磁波；此外低介電常數的材料還能給天線罩帶來寬頻帶響應，允許放寬壁厚公差，降低制造成本；
②良好的常溫和高溫力學性能，使飛行中的天線罩能承受導彈的氣動加熱、加載條件，滿足一定載荷條件下的強度和剛度要求并保持結構完整；
③低的膨脹系數和高的彈性模量，抗熱震性能優異，以免在大的溫升速度和高溫差下失效；
④耐沖刷、耐雨蝕能力強，抗粒子云侵蝕，以保證導彈在雨水沖刷和輻射等環境下的戰斗力，具備全天候工作的能力；
⑤良好的工藝性、可加工性和經濟性。
3 天線罩用陶瓷材料的國內外研究狀況
為滿足導彈天線罩的需求，天線罩材料經過了纖維增強塑料、氧化鋁陶瓷、微晶玻璃、石英陶瓷、氮化硅陶瓷到天線罩復合材料的發展歷程。
3.1 國外研究進程
氧化鋁陶瓷是種商業化高溫天線罩材料，之后為改善其抗熱震性能國外進行了氮化硼改性氧化鋁陶瓷的研究。20世紀50年代后期，美國開發出TiO2為晶核劑的微晶玻璃體系，廣泛代替氧化鋁陶瓷，用于馬赫數3~4的導彈天線罩。60年代開始，美國著手研究磷酸鹽高溫天線罩材料，之后德國、前蘇聯等均在該領域不斷深入探索，得到了性能較好的磷酸鹽基復合材料。俄羅斯在磷酸鹽基復合材料領域的研究已有幾十年的歷史，對各種磷酸鹽，的結構、性能及工藝有較全面的了解。[-page-]
50年代末期，美國研制了泥漿澆注熔融石英材料，70年代以后被廣泛應用于多種型號導彈上，如美國的“愛國者”防空導彈和意大利“阿斯派特’得彈，二者都是半波長壁厚結構。為克服石英陶瓷力學和抗侵蝕能力差的缺點，從70年代開始，美國開始研制不同結構三維多向石英或氮化硼織物增強二氧化硅基復合材料。同時，美國航空實驗室研制開發了用于制作天線罩的熔融石英纖維增強氧化硅材料，具有比粉漿澆注熔融石英更好的抗沖擊性能和更高的彎曲應變能力。俄羅斯在幾種中程精確制導導彈中采用復合材料天線罩或復相陶瓷。
從20世紀70年，代起以氮化硅為基體組成的陶瓷基復合材料天線罩的研究得到了重視，法國已成功采用氮化硅／氮化硼復合材料制備天線罩；俄羅斯采用氮化物基復合材料制備出了天線罩，現已達到實用化水平。目前研究氮化硅材料體系較多的是通過設計天線罩的結構使天線罩能在微波或毫米波段范圍實現更寬頻帶的高透波要求。
3.2 國內研究現狀
我國在天線罩材料和制備工藝的研究開始于20世紀70年代末期，經驗較少，但也取得了一定進展，已能獨立自主地設計和制造包括導彈天線罩在內的各類天線罩。國內先后研制了石英玻璃材料、高硅氧穿刺織物和正交三向石英織物增強二氧化硅基復合材料，已經獲得應用。目前研究重點主要放在二氧化硅、氮化硼、氮化硅陶瓷體系上，同時對陶瓷基復合材料的組分、結構設計和制備工藝進行不斷探索。連續纖維增強陶瓷基復合材料能夠有效克服脆性陶瓷基體對裂紋和熱沖擊的敏感性，成為近年來的研究熱點。
目前國內不同天線罩材料體系的發展很不平衡，需要不斷學習國外先進導彈天線罩的生產經驗，促進工藝技術的不斷改進，使新型陶瓷材料在導彈天線罩上獲得廣泛應用。
4 天線罩用陶瓷材料體系
在天線罩用陶瓷材料體系方面，目前主要集中準以下幾種：氧化鋁體系、微晶玻璃體系、磷酸鹽體系、二氧化硅體系、氮化物體系。
4.1 氧化鋁體系
氧化鋁是早應用于天線罩的單一氧化物陶瓷，強度高、硬度大、不存在雨蝕問題，但抗熱沖擊性能差，介電常數高并隨溫度變化過大，對天線罩壁厚公差要求很嚴。氧化鋁陶瓷只適用于馬赫數＜3的導彈，馬赫數在3以上時，氣動加熱將引起天線罩“熱炸”問題。此外氧化鋁可以作為其它天線罩陶瓷材料的燒結助劑使用，是目前研究多的燒結助劑材料之一。目前氮化硼改性氧化鋁復相陶瓷的研究取得了良好，彌散的氮化硼顆粒顯著改善了氧化鋁陶瓷的脆性，獲得了較好的抗熱沖擊性能。
4.2 微晶玻璃體系
微晶玻璃是美國康寧公司為配合美國海軍“小獵犬”導彈計劃，于上世紀50年代中期發明的一種新型無機材料，具有高強度和高耐熱性、介電常數和損耗角正切低、膨脹系數低、介電常數隨溫度和頻率的改變變化小等優點，但其工藝較復雜，成型和晶化處理工藝難以控制。 [-page-]
微晶玻璃材料天線罩曾廣泛應用于馬赫數為4及4以下的場合，但材料高溫穩定性的限制使其不能承受超高音速飛行時的熱沖擊。為進一步提高微晶玻璃的抗熱沖擊性能，相關人員進行了大量的改性工作。
4.3 磷酸鹽體系
應用于航天透波領域的磷酸鹽復合材料主要是硅質纖維增強硫酸鋁、磷酸鉻及磷酸鉻鋁復合材料，一般為布塊或織物經磷酸鹽溶液浸漬后加壓固化而得。磷酸鉻、磷酸鋁和磷酸鉻鋁復合材料分別在1200℃、1500℃、1500~1800℃條件下具有穩定的力學性能。英國電氣公司研制出以磷酸鹽為晶核的玻璃-陶瓷天線罩材料，具有很好的力學性能、耐熱性能和介電性能。
4.4 二氧化硅體系
二氧化硅材料主要指石英玻璃、石英陶瓷材料與石英纖維織物增強二氧化硅基復合材料，它的介電常數和介電損耗小、熱膨脹系數極低、化學穩定性好、熔點較高。
高純二氧化硅材料密度低、熱膨脹系數小、介電性能和抗熱沖擊性能優良，高溫融化后的熔融態因豁度大而不易被氣流沖刷流失。石英陶瓷是采用泥漿澆鑄和燒結等制造工藝方法所制得的不透明陶瓷質材料，適用于馬赫數3~5的導彈天線罩，能滿足再入環境條件下的熱絕緣和抗熱沖擊特性要求以及雷達透明性要求。
石英陶瓷具有突出的抗熱沖擊性能、低介電常數和低損耗角正切、低膨脹系數，介電常數對頻率與溫度十分穩定，制造工藝成熟，成本適中等優點，但也存在一些缺陷，主要是：①室溫強度相對較低，對于高速大過載導彈天線罩的應用極為不利；②含10%左右的氣孔，易吸潮，引起天線罩電性能的降低；③抗雨蝕能力和耐高溫能力差，必須采用防護措施。
為改善石英陶瓷的性能，纖維增強技術的研究得到較多關注?？梢约尤氲脑鰪娎w維材料有三向石英纖維編織體或石英玻璃短纖維、硼硅酸鋁纖維、氮化硼纖維等。一般來說，高馬赫數短時間飛行可采用硅質纖維增強二氧化硅基復合材料、含除碳劑的硅樹脂基復合材料或復相陶瓷。經纖維增強后的石英陶瓷材料天線罩在電性能方面不會受到影響，材料的介電性能穩定．且強度比原來提高14%左右。
4.5氮化物體系
氮化物陶瓷復合材料具有優良的高溫熱學、力學、電學性能，制備成本低，它的應用是擴大航天透波材料領域的必然趨勢。氮化硅和氮化硼是針對更高馬赫數導彈天線罩的主要的候選材料。
氮化硅陶瓷材料具有非常好的力學性能、較低的介電常數、較高的抗雨蝕和抗熱沖擊性能，可緩解石英陶瓷強度低、雨蝕性差的問題，這些優異的性能使得氮化硅陶瓷成為天線罩的優選材料，主要工作于馬赫數不超過6的范圍內。[-page-]
常用的制備氮化硅陶瓷的方法有反應燒結、常壓燒結、熱壓燒結、氣壓燒結、等離子放電燒結、熱等靜壓燒結。人們將研究集中在兩種氮化硅材料中：①反應燒結氮化硅，硅和氮在反應時通過火焰噴射將硅粉熔融形成坯件；②熱壓氮化硅，硅和氮反應生成的粉狀物經熱壓形成坯件。反應燒結氮化硅比熱壓氮化硅密度低，具有低的介電常數，更適合于在高速導彈上應用。無論采用哪種燒結方式，陶瓷材料的脆性始終限制它的應用，目前常用柱狀β-SiN自增韌、顆粒增韌和纖維或晶須增韌等方式使其性能得以改進，一般情況下，纖維的增韌效果比較好。
氮化硼陶瓷材料具有極高的升華熱、優良的介電性能、突出的熱震性和低的密度，但抗雨蝕能力差，且由于工藝問題難以制成較大形狀坯件。采用氮化硅和氮化硼制備的復合材料有更穩定的熱物理性能，較低的介電常數以及優良的力學性能，能夠承載高馬赫飛行條件下對天線罩材料的防熱、承載要求，改善氮化硅和氮化硼單獨作為天線罩材料的不足。
氮化硅、石英和氮化硼的復合體系作為陶瓷天線罩材料的研究和應用．是擴大航天誘波材料領域的必然趨勢，有重大的研究價值和市場前景。
5 發展前景
從天線罩結構考慮，進行結構設計與制備的研究，制備寬頻帶高透波率導彈天線罩是今后的發展方向。新型陶瓷天線罩材料可滿足先進導彈高馬赫數飛行的使用要求，具有工作溫度高、高溫燒蝕率低、性能穩定、不吸水、不吸潮、強度高等特點。我國總體技術水平與國際水平仍存在差距，需要大力加強基礎研究．開展低成本高性能的均相陶瓷基復合材料的研究。
熔融石英陶瓷及三維編織增強石英陶瓷在目前受到廣泛關注。隨著工藝技術的不斷改進，氮化硅及其復合材料在高速導彈天線罩上的應用會越來越廣泛。關于材料體系的研究工作大多集中在高性能增強纖維開發、新型制備工藝與復合材料設計、性能研究等方面。
