二氧化硅體系透波材料的透波機理及研究現狀

摘要 本文闡述了天線罩材料對二氧化硅體系透波材料的性能要求，分析了二氧化硅體系透波材料的透波機理，論述了二氧化硅體系透波材料的研究現狀，并指出了其發展方向。

關鍵詞 透波材料，透波機理，天線罩，二氧化硅體系

1引 言

微波透波材料[1]是指對波長在1～1000mm，頻率在0.3～300GHz范圍的電磁波的透過率大于70%的材料。這種材料可用于制作雷達天線罩，也可用作高能陀螺儀的窗口材料、一些診療儀器的透波材料以及用于微波通訊設施中[2]。本文主要介紹二氧化硅體系透波材料的透波機理以及在導彈雷達天線罩中的應用。雷達(包括地面雷達、移動雷達和導彈雷達)天線罩作為制導武器系統的重要組成部分，首當其沖面臨著高技術、高性能的嚴峻挑戰[3]。微波透波材料屬結構-防熱-透波一體化的功能材料，涉及多學科專業和設計、材料、功能、性能檢測等系統工程[4]。美、俄、德、英等國對此進行了深入的研究和應用。隨著航空航天技術的進步，二氧化硅體系天線罩材料獲得了很大的發展。

2透波材料的性能要求[5]

天線罩的性能依賴于所選擇的材料。反之，在天線罩的研制過程中需根據天線罩的工作環境和性能來確定在性能上對材料的要求。

材料的介電性能(介電常數ε和損耗角正切值tanδ)是選擇天線罩材料的主要依據[6]。具體來講，首先要考察材料的傳輸系數，此為關鍵參數，它主要受材料的介電常數ε和損耗角正切值tanδ制約。制導系統中，天線罩的傳輸效率和瞄準誤差特性十分敏感地依賴材料的介電性能及它們與溫度、頻率等的關系。介質損耗角越大，電磁波在透過材料時所損耗的能量就越多。介電常數越大，則電磁波在空氣與天線罩的分界面上的反射越大，降低了信號的傳播效率。因此要求天線罩材料的損耗角正切值很低，介電常數也盡可能低，以獲得較高的傳輸系數和較寬的壁厚容差，從而可增加罩壁厚度，提高結構強度，改善加工性能。一般情況下，在0.3～300GHz頻率范圍內，透波材料的適宜ε值為1～4，tanδ為10^-3～10^-2數量級，這樣才能獲得較理想的透波性能和較小的損失。

導彈的高馬赫數使天線罩的瞬時加熱速率高達120℃/s以上，因此要求材料具有良好的抗熱沖擊性能。材料的熱膨脹系數用來衡量材料的耐熱沖擊性能。另外，材料還必須具有耐高溫性，包括升高溫度時材料分子結構穩定，材料特性(如介電性能、機械性能)變化不大，以保證在最高溫度時天線罩能正常工作。

材料的力學性能，如抗沖擊強度直接關系到材料的耐雨蝕、耐砂蝕能力。飛行中的天線罩承受著由空氣動力和縱向或橫向加速度引起的機械應力，要求天線罩材料在滿足對其耐熱性能和介電性能要求的同時，必須具有足夠的機械強度和適當的彈性模量。

此外，材料的密度也是一個重要的性能參數，較低的材料密度，可以獲得較高的啟動速度，同時還可以減小重量。

3二氧化硅體系透波材料的透波機理

材料的透波性能與材料的化學組成、微觀結構以及環境條件等因素有關。

3.1 介電常數ε的機理

透波材料一般為電介質材料。電介質材料由許多一端帶正電，另一端帶負電的分子（或偶極子）組成。一般情況下，介質內的偶極子做雜亂無章的熱運動，因此分子的排列毫無規則，當介質材料處于直流電場中時，介質內部的偶極子在電場的作用下重新排列，即帶正電的一端趨向于負極，使雜亂運動的毫無規則的偶極子，變成了有一定取向的有規則排列的極化分子，即介質在外加電場作用下有極化現象，介質極化產生的束縛電荷有自己的電場，這個電場的方向與外加電場的方向相反，因而削弱了外電場。對于不同的介質，極化越厲害，合成電場就越弱，此時，介質的介電常數ε越大。所以，介電常數ε是標志介質極化難易程度的一個物理量，它反映了介質對外電場反作用的強弱。

3.1.1 介質總極化的分類

介質的總極化一般包括三個部分：電子極化、離子極化和偶極子轉向極化。這些極化的基本形式又分為兩種：第一種是位移式極化。這是一種彈性的、瞬間完成的極化，不消耗能量，電子極化和離子極化都屬于這種情況；第二種是松馳極化，這種極化與熱運動有關，完成這種極化需要一定的時間，并且是非彈性的，因而消耗了一定的能量，偶極子轉向極化即屬于這種情況。

3.1.2 各種極化產生的條件

電子極化是由于在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發生位移產生偶極矩；離子極化是由于弱聯系離子在平衡范圍附近發生相對位移而產生偶極矩；而偶極子轉向極化是由具有永久電偶極矩的諸分子所產生，它們的電偶極矩在外加電場中可以改變其取向。

3.2 損耗角δ的機理

如果把電介質放在交變電場中，則電介質在交變電場的作用下被反復極化，外電場的變化越快（即頻率越高），偶極子反復極化的運動也越劇烈，從電磁場所得到的能量也越多。它里面的束縛電荷將在小范圍內發生迅速的振動或轉動，形成交變電流。這種電流不同于自由電荷的運動形成的傳導電流，叫做位移電流。如果束縛電荷的位移能夠迅速跟上電場的變化而達到同相時，那么束縛電荷將在半個周期內從電場中取得能量，在另半個周期內又將能量送回電場。從電路的角度來分析，此時的位移電流將超前高頻電壓π/2的相角，因而完全是電抗性的無功電流。但實際上束縛電荷在介質內劇烈運動的同時又在相互作用，并受到周圍介質的摩擦阻力，所以在電場中取得的能量不可能全部交回給電場，其位移也跟不上電場變化的速度，此時位移電流超前高頻電壓的相位角達不到π/2，而是比π/2要小一個角度δ。這樣，位移電流就有了有功分量，由此可見，角度δ的大小與介質吸收電能轉變為自身內能的程度有密切關系，所以把δ叫做損耗角。

介質損耗主要有松馳極化損耗、電導損耗及結構損耗等形式。在極化過程中，束縛電荷由于與周圍介質不斷發生摩擦而消耗掉一部分能量，此即為松馳極化損耗；由于電介質不是理想的絕緣體，不可避免地存在一些弱聯系的導電載流子，在外電場作用下定向漂移，從而形成小的傳導電流，這些傳導電流以熱的形式消耗掉，即為電導損耗；還有一類和介質內部結構的緊密程度密切相關的介質損耗稱為結構損耗。

3.3 ε、tanδ和頻率的關系

介質在交變電場中通常發生弛豫現象，介質放在外電場的作用之中，從開始的瞬間到極化穩定狀態的建立需要一定的時間，這個時間稱為極化的弛豫時間，位移極化為10-15～10-12秒，而轉向極化為10-5～10^-3秒。

介電常數ε以及損耗角正切tanδ和入射微波的頻率是有關系的，它們隨頻率的變化關系總趨勢是：頻率升高時，ε降低，損耗角正切值tanδ隨著頻率的升高呈波動式變化，tanδ值最大點與ε值下降的區域相對應。具體來說：當入射波頻率很低時，ω→0，介質的各種極化都能跟上外加電場的變化，此時不存在極化損耗，介電常數達最大值，介電損耗主要由漏導引起；當外加電場頻率逐漸升高時，轉向極化在某一頻率開始跟不上外加電場的變化，轉向極化對介電常數的貢獻逐漸減小，因而ε隨ω升高而減小。在這一頻率范圍內，tanδ隨著ω的升高而增大，當頻率很高時，ε→ε∞，介電常數僅由位移極化決定。此時，tanδ隨著ω的升高而減小。

3.4 ε、tanδ和溫度的關系

溫度對松馳極化產生影響，因而ε和tanδ在不同的溫度下也是不同的。一般來說：當溫度很低時，弛豫時間Τ較大，ωΤ＞＞1，分子熱運動很弱，ε主要由快極化提供，在一段溫度變化范圍內變化不大；隨著溫度Τ的升高，分子的熱運動加強，削弱了物質的結構力。所以，在外電場的作用下，介質比較容易被極化，ε呈指數式規律上升，且熱運動越強，對極化越有利。在此溫度范圍內，Τ減小，tanδ也減小；但當溫度升高到一定數值時，再繼續升溫，ε值反而有下降的趨勢。這是因為，此時的熱運動占據了主導地位，反而削弱了外電場的作用，定向極化發生困難，因此ε值急劇下降。但由于此時電導損耗劇烈上升，tanδ也隨溫度上升，并呈指數規律急劇上升。故對一定物質來說，有一個ε(Τ)最大的區域。

4二氧化硅體系透波材料的研究現狀

二氧化硅體系透波材料主要包括石英玻璃、石英陶瓷材料與硅質纖維織物增強二氧化硅基復合材料。

4.1 國外研究現狀

熔融石英陶瓷是美國Georgia理工學院在20世紀60年代研制出的一種材料。它是以石英玻璃碎料為原料，按陶瓷工藝生產的一種非晶態產品。它既保留了石英玻璃的諸多優點，又因為可采用陶瓷的一系列生產工藝，所以可制成各種復雜的外形，產品廣泛應用在玻璃、冶金、航空航天等領域。熔融石英陶瓷是高速高空導彈天線罩的一種優良材料。國外不同型號、不同空域的導彈，如美國的“愛國者”、“潘興”Ⅱ號及意大利的“Aspide”導彈、美國陸軍“Sam-D”導彈的天線罩均使用熔融石英陶瓷[9]。這種材料與其它天線罩材料相比有下列優點：(1)極小的線膨脹系數（約0.5×10-6K-1），較好的抗熱沖擊性能；(2)低的介電常數（3.0～3.5）和損耗角正切（小于0.0004），且隨溫度變化小；(3)導熱系數小，熱防護能力好；(4)強度隨溫度的升高而升高；(5)制造工藝相對來說較簡單，成本較低。熔融石英陶瓷導彈天線罩的缺點是力學性能不佳，強度較低（45～70MPa），斷裂韌性較低（約1MPa·m^1/2），抗雨蝕性較差，易吸潮，不適合用在馬赫數在5以上的導彈上。

為保持石英陶瓷材料的優點，同時克服其力學和抗侵蝕性能低等缺點，在70～80年代，以中遠程導彈天線窗為應用背景，美國General Electric和Philco-Ford分別研制了不同結構的三維多向石英或氮化硼織物增強二氧化硅基復合材料，該材料一方面具有石英陶瓷優異的電性能，同時又具有明顯好于石英陶瓷的力學性能、抗熱沖擊性能和抗雨蝕性能。由于受編織技術的限制，當時難以獲得大尺寸整體織物，故未能在大型天線罩上獲得應用。

后來美國General Electric和Philco-Ford[10～11]又采用無機先驅體浸漬燒成工藝，即硅溶膠（SiO2先驅體） 浸漬石英織物技術并在一定溫度下進行熱處理，研制出3D石英纖維增強二氧化硅復合材料，牌號為AS-3DX和Markite 3DQ，其中AS-3DX材料常溫時ε=2.88，tanδ=0.00612(5.841GHz)。石英纖維織物增強石英復合材料的表面熔融溫度，使其與石英玻璃接近(約1735℃)，是高溫狀態再入型透波材料的理想選擇之一[12]，已用于美國“三叉戟”潛地導彈。

在AS-3DX基礎上，美國Advanced Materials Development Laboratory（AMDL）研制出4D全向高純石英織物增強石英復合材料ADL-4D6，其工藝流程是[11]:Astro-quartz高純石英纖維織物(密度1.0g/cm3)經510℃除膠，再用硅烷偶聯劑處理以提高材料強度和斷裂應變；選用DuPont公司的低Na含量的As系列硅溶膠，經穩定化處理(pH=1)后浸漬石英織物，85℃烘干16h，再經650℃熱處理4h，如此循環浸漬燒成6個周期以上，最后經機械加工和表面致密化封孔處理，得到ADL-4D6天線罩材料，其密度為1.55g/cm3，彎曲強度35MPa，斷裂應變1.0%，可視為“塑性”陶瓷，ε= 2.8～3.1，tanδ= 0.006(250MHz)。燒成后的二氧化硅基體為活性較高的多孔結構，易吸附水蒸氣。利用鹵硅烷與基體表面的吸附水反應生成硅氧烷涂層可以起到防潮作用，但要控制鹵硅烷加入量，以免高溫裂解后殘碳影響介電性能。

1997年，在美國陸軍部資助下，又研制出無壓燒結的SiO2納米復合陶瓷天線罩，應用于極超音速飛行器。該材料在25℃和1000℃下的介電常數和介電損耗分別為4.78、0.0014和5.00、 0.0025，介電常數變化不到4.7%，抗彎強度190MPa，為石英陶瓷(48MPa)的4倍，硬度10440MPa，為石英陶瓷(2120～5000MPa)的2～5倍，綜合性能顯著優越于石英陶瓷[13]。

4.2 國內研究現狀

國內二氧化硅體系透波材料的研究進展與軍事大國相比仍然存在較大差距。下表列出了國內外復合材料天線罩性能水平的比較。中科院硅酸鹽研究所研制的3-3微晶玻璃是國內第一種高溫天線罩材料，成功應用于超音速中低空防空導彈天線罩上。該材料在組成上與9606微晶玻璃極為接近，性能上除介電損耗相對偏高外，其它性能與9606微晶玻璃非常相似。我國現行使用的天線罩主要是由石英玻璃制造的。石英玻璃由于具有良好的介電常數、突出的抗熱震性能和較低的密度而被用作導彈的整流罩。但其抗雨水沖刷能力差、吸水性強，這是由于材料不夠致密，存在一定的氣孔所致，且其機械性能較差(機械強度約為60MPa)，難以滿足飛行速度在5馬赫[7]以上的高速導彈的要求。姚俊杰等人[7～8]嘗試在SiO2中添加Si3N4顆粒，由于Si3N4和SiO2在熱膨脹系數上存在差異而形成的殘余應力場以及高彈性模量，所以Si3N4顆粒的加入可使SiO2-Si3N4復合材料的力學性能比SiO2基體材料有很大的提高。但是復合材料的介電常數和介電損耗隨著Si3N4的增加而增加，破壞了SiO2基體材料的介電性能。

為發展5Ma以上的防空導彈，國內采用石英陶瓷天線罩制造技術，研制出增強型石英陶瓷天線罩，目前已應用于某型號高速防空導彈，在多次飛行試驗中獲得成功。與俄羅斯同類材料相比，國內石英陶瓷的性能，特別是介電性能還有一定差距，目前正在進一步改進，以滿足更先進型號的需求。為滿足中、遠程地-地戰術和戰略導彈天線窗需求，國內先后研制和發展了石英玻璃材料、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，這些材料己經在多種型號上獲得應用成功。為滿足精確制導中程導彈天線罩的需求，國內以高硅穿刺和三向石英天線窗材料為基礎，已研究發展出整體石英織物增強二氧化硅基復合材料。

總之，在無機材料中，石英陶瓷材料以其優良性能不但能適用于飛行速度3～5馬赫的導彈天線罩，還能滿足再入環境條件下的熱絕緣、抗熱沖擊特性要求以及雷達透明性要求。但對于中程導彈機動飛行彈頭，由于其飛行馬赫數高，且加熱時間相對較長(約1min)，采用單一的石英陶瓷材料，不能滿足熱應力的承載要求。因此，從70 年代開始，俄已在幾種中程精確制導導彈中淘汰石英陶瓷罩[14]，改用復合材料天線罩或復相陶瓷。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，中低馬赫數長時間飛行的必須選用不碳化的陶瓷基復合材料，如織物增強磷酸鹽和二氧化硅基體等。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。除采用纖維增強石英陶瓷外，還可采用退火、制造表面壓應力層、彌散顆粒增強等方法來提高石英陶瓷天線罩的強度。目前，可采用化學氣相沉積法在石英陶瓷材料表面涂覆石英玻璃層來作為表面壓應力層[9]。

5展 望

二氧化硅體系透波材料具有小的介電常數，極小的線膨脹系數，較好的抗熱沖擊性能和很好的熱防護能力等優點，但其力學性能不佳、強度較低（45～70MPa）、斷裂韌性較低（約1MPa·m1/2）、抗雨蝕性較差、易吸潮等缺點限制了它的應用，尤其是在要求高可靠性的導彈武器系統中。如何提高它的韌性一直是各國研究的核心課題之一。就目前研究進展來看，連續纖維增韌效果最好，它可以同時提高材料強度和抗熱震性能，但是長纖維在基體中的均勻分布和界面結合的問題還沒有得到很好的解決。穩定的高頻介電性能、良好的熱性能、良好的力學性能和耐環境性能是新型高性能透波材料的研究重點和發展方向。

二氧化硅體系透波材料的發展首先緣于其軍用目的，但隨著科技的發展和人民生活水平的提高，其應用將進一步拓寬，會由軍用轉向民用，如一些天文望遠鏡的保護罩，一些診療儀器的透波窗[15]，以及用于通訊系統、彩電中心、微波塔樓、微波中繼站等科技和民用設施[16]。

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Microwave-transparent Mechanism and Recent Achievements of Microwave-transparent Materials by SiO2 System

Hao Hongshun1 Fu Peng2 Gong Li1 Wang Shuhai1

(1 Dept.of Materials Science and EngineeringShandong University of TechnologyZibo Shandong 255049

2 Dept.of Materials Science and EngineeringLiaocheng University LiaochengShandong 252059)

Abstract: The elemental requirements for microwave-transparent materials by SiO2 system were reviewed and the mechanism of SiO2 system microwave-transparent materials was analyzed， and the recent achievements in the research of microwave-transparent materials by SiO2 system were discussed in this paper.

Keywords: microwave-transparent materials，microwave-transparent mechanism，radome，SiO2 system