陶瓷基頻率選擇表面透波材料工藝研究進展

高賢志， 張 劍， 崔鳳單， 彭 瑾， 高文博， 呂 毅， 張 昊， 趙英民

(1.海裝駐北京地區(qū)第三軍事代表室，北京，100071； 2.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京，100074)

天線罩既是飛行器主體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，又是保護天線系統(tǒng)不受高速飛行造成的惡劣氣動環(huán)境影響、正常工作的屏障，是一種集透波、防熱、承載等功能于一體的結(jié)構(gòu)功能部件[1-2]。面向未來戰(zhàn)爭形態(tài)，高速飛行、精準打擊、隱身突防已成為新一代飛航武器的基本需求。越來越快的巡航速度帶來了嚴酷的氣動環(huán)境，導致天線罩的使用溫度高達600 ℃以上，陶瓷基透波材料的應用需求日益增加。天線系統(tǒng)對全向透波、寬頻透波、頻選透波、隱身等性能要求的不斷提高對透波材料的電性能提出了苛刻的要求，簡單的半波壁結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)多波段響應也不能特定頻段隱身，需要借助于更加復雜的電結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高性能天線罩[3]。

頻率選擇表面(FSS)是金屬結(jié)構(gòu)單元組成的單屏或多屏周期性陣列結(jié)構(gòu)，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性孔隙構(gòu)成。在單元諧振頻率附近呈現(xiàn)全反射(貼片型)或全傳輸特性(孔隙型)，分別稱為帶阻或帶通型FSS。FSS能夠?qū)﹄姶挪ǖ耐◣нM行調(diào)整，讓天線罩實現(xiàn)已方帶內(nèi)雷達波透過、帶外雷達波截止的功能，從而有效實現(xiàn)抗干擾與電磁隱身的功能[4-5]。FSS透波材料即一種含有FSS結(jié)構(gòu)的人工電磁材料，可以改善或改變天線的電磁性能，是透波材料長期以來所追求的結(jié)構(gòu)-功能一體化的集中體現(xiàn)和成功實踐，也是近年來透波材料研究的新熱點，有望給透波材料領(lǐng)域帶來巨大的變革，在多功能透波、隱身透波構(gòu)件領(lǐng)域具有廣闊的應用前景[6-9]。

陶瓷基FSS透波材料主要針對耐高溫(600 ℃以上)高性能天線罩的研制需求而提出。陶瓷透波材料體系可分為纖維增強陶瓷基復合材料與均質(zhì)陶瓷兩大類。為了滿足不同的設(shè)計使用需求，目前國內(nèi)的陶瓷基FSS透波材料研究對上述兩大類材料都有涉及。本文分析了當前陶瓷基FSS透波材料工藝研究的需求，介紹了國內(nèi)陶瓷基FSS透波材料研究的現(xiàn)狀并對其應用前景進行了展望。

1 國外FSS天線罩研究現(xiàn)狀

80年代，由于飛行器隱身設(shè)計技術(shù)得到發(fā)展和應用，F(xiàn)SS天線罩技術(shù)取得了長足進步。目前，航天、航空領(lǐng)域都在大力開展各種天線罩用FSS材料研究。采用FSS材料研制的隱身天線罩在國外已投入了工程應用，在國內(nèi)也得到了迅速地發(fā)展。[10]航空方面，美國輕型噴氣運輸機C-140、新一代E2“鷹眼”預警機與四代戰(zhàn)斗機F-22均使用了FSS天線罩，英國BASE公司的機載雷達罩宣傳廣告上也大篇幅地介紹了其在FSS雷達罩方面的設(shè)計與制造能力；航海方面，瑞典的維斯比級護衛(wèi)艦上傳感器被FSS天線罩封閉包圍，美國LPD-17圣安東尼奧級船塢運輸艦用FSS制成了全封閉式的隱身桅桿，俄羅斯現(xiàn)代級導彈驅(qū)逐艦上使用了FSS干擾機天線罩。但是，縱觀國內(nèi)外，大量的FSS天線罩研究集中在航空或航海用的樹脂基天線罩上，針對高溫服役環(huán)境的陶瓷基FSS透波材料的宣傳報道僅有美國II-VI Optical Systems公司網(wǎng)站上一例(圖4)，工藝研究更是鮮見報道[11-13]。近年來國外公開報道的涉及陶瓷基FSS研究的工作，僅涉及用于X波段應用的全介質(zhì)帶阻FSS[14]與基于碳納米管墨水和噴墨打印技術(shù)的微波FSS吸收器的研究等[15、16],與陶瓷基FSS天線罩的實際工程應用差距較大。

圖2 采用FSS隱身技術(shù)的美國F-22戰(zhàn)斗機與采用隱身桅桿的美國LPD-17船塢登陸艦

圖3 美國II-VI Optical Systems公司研制的陶瓷基FSS天線罩產(chǎn)品

2 陶瓷基FSS透波材料的工藝需求分析

首先，陶瓷基FSS透波材料主要針對耐高溫高性能天線罩的需求提出的，對于這樣的透波構(gòu)件而言，為了保護天線正常工作，通常在天線罩結(jié)構(gòu)中還有隔熱層的存在。因此，在開展陶瓷基FSS透波材料的制備工藝研究時，需要考慮到FSS結(jié)構(gòu)處于不同空間位置時的多種結(jié)構(gòu)方案，如圖4 所示。假設(shè)這樣的陶瓷結(jié)構(gòu)件均可以通過單獨制備、層層疊套的工藝組成，則FSS結(jié)構(gòu)的制備工藝研究可以簡化為在承載層表面制備和隔熱層表面制備兩類。而隔熱層材料表面通常疏松多孔、結(jié)構(gòu)強度差、易變形，通過針對性的設(shè)計調(diào)整，隔熱層表面的FSS結(jié)構(gòu)可以由一層隔熱層材料與一層含F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)承載層薄層的組合結(jié)構(gòu)所代替，這樣陶瓷基FSS透波材料的制備工藝研究僅需圍繞承載層材料開展，即可滿足全部的結(jié)構(gòu)設(shè)計需求。

圖4 FSS結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計結(jié)構(gòu)中可能的位置及工藝簡化

其次，F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)單元圖案具體的形狀、數(shù)量、結(jié)構(gòu)尺寸、相對位置與使用需求和FSS設(shè)計方案相關(guān)，對于工藝研究而言，不斷提高陶瓷基FSS結(jié)構(gòu)的工藝可實現(xiàn)性，滿足日益復雜的電結(jié)構(gòu)設(shè)計需求是技術(shù)人員的不懈追求。圍繞承載層材料開展工藝研究，在承載層內(nèi)外表面制備FSS結(jié)構(gòu)、在承載層內(nèi)部制備FSS結(jié)構(gòu)、準確地制備含多層FSS結(jié)構(gòu)的承載層以及制備含F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)的承載層薄層是當前的幾個重要攻關(guān)方向。

此外，要實現(xiàn)FSS 結(jié)構(gòu)的高溫使用，必須要保證功能微結(jié)構(gòu)單元在高溫氣流沖刷、大過載振動等惡劣的使用環(huán)境下具有良好的導電性，且能夠保持自身結(jié)構(gòu)及相對空間位置的完好。而面向構(gòu)件應用時，在上述制備工藝研究的全周期內(nèi)都需考慮到不可展開曲面、狹窄深腔內(nèi)壁以及大尺寸多層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工藝實現(xiàn)問題。

3 陶瓷基FSS透波材料的制備工藝

FSS實質(zhì)上是一個開放空間的電磁濾波器，通常是由諧振單元按特定方式排列成的二維平面周期結(jié)構(gòu)。FSS 的濾波特性主要受結(jié)構(gòu)單元的拓撲結(jié)構(gòu)、單元間距、介質(zhì)層參數(shù)(介電常數(shù)、介質(zhì)層厚度)、層疊結(jié)構(gòu)以及入射電磁波的入射角和極化方式等因素影響。從工藝角度看，陶瓷基FSS透波材料由透波材料基材與金屬化的功能微結(jié)構(gòu)單元組成，其制備過程與陶瓷金屬化技術(shù)密切相關(guān)，類似于三維空間曲面共型電路的制備，只是基材不再是傳統(tǒng)的微波介質(zhì)陶瓷，而是具有承載功能、能夠制備大尺寸異型構(gòu)件的陶瓷基透波材料。而且真實構(gòu)件中需要的FSS表面通常更多地表現(xiàn)為三維曲面和不可展開面，因此，掌握大尺寸不可展開面上制造質(zhì)量好、精度高的功能微結(jié)構(gòu)單元的能力，是陶瓷基FSS透波材料工藝研究的核心。

由于透波材料本身就是一個高度交叉的工程學科，陶瓷基FSS透波材料的研究屬于高精度微細結(jié)構(gòu)制造與陶瓷金屬化技術(shù)的有機結(jié)合，研究過程中專業(yè)交叉現(xiàn)象更為頻繁，涉及到物理、化學、材料科學、激光技術(shù)、表面科學、儀器設(shè)備等多學科交叉，是國內(nèi)外研究的熱點和難點。不同專業(yè)背景的研究機構(gòu)都在各自的專業(yè)特長領(lǐng)域發(fā)展陶瓷基FSS透波材料，因此出現(xiàn)了多種多樣的陶瓷基FSS制備工藝與方法，其大體可以分為以下4類。如表1所示。

表1 陶瓷基FSS制備工藝特點比較

第1類是柔性膜轉(zhuǎn)移工藝, 該方法已是樹脂基FSS材料天線罩大規(guī)模使用的通用方法。首先，采用鍍膜刻蝕技術(shù)在覆銅樹脂膜上刻蝕出柔性FSS膜，再通過膠膜將其固定在預浸料間，最后升溫共固化實現(xiàn)樹脂基FSS材料的制備[11-13]。對于陶瓷基FSS材料，柔性膜轉(zhuǎn)移方法也有所嘗試。其基本思路是先將功能微結(jié)構(gòu)通過各種手段制備到柔性樹脂膜上，再通過熔解等各種手段把陶瓷坯料中的樹脂膜去除掉，留下功能微結(jié)構(gòu)與陶瓷基復合材料[17-20]。柔性膜轉(zhuǎn)移法工藝可以實現(xiàn)在曲面上的應用，但是曲面尺寸精度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性較差，綜合運用陶瓷基復合材料的成型工藝技術(shù)，是解決膜的可靠去除和功能微結(jié)構(gòu)的完整保留兩大問題的關(guān)鍵。

第2類是激光相關(guān)加工工藝。該方法又可以細分為激光直接刻蝕與激光微熔覆直寫2個方向，是目前研究最多的一類陶瓷基FSS材料制備工藝，各大研究機構(gòu)都有涉及。激光直接刻蝕是先用涂覆、濺射等各種技術(shù)手段先在透波材料基材表面制備一層均勻的金屬薄膜或石墨烯薄膜，再采用激光刻蝕工藝直接去除不需要的金屬膜層，實現(xiàn)金屬層圖形化，獲得FSS表面或其他功能微結(jié)構(gòu)[21-23]。激光微熔覆直寫技術(shù)，是通過激光選擇性微熔覆電子漿料，在樹脂、陶瓷等基材上快速制備各種金屬以及電阻、電容、電感等元器件，是典型的增材制造技術(shù)[24]。激光相關(guān)加工技術(shù)的優(yōu)勢在于高精度地制備構(gòu)件外表面的FSS結(jié)構(gòu)，其不足之處在于周期長、成本高。

第3類是印刷電子工藝。陶瓷基FSS材料的制備工藝研究大多基于本工藝開展[25-31]。印刷電子就是使用絲印、噴印、移印等各種印刷工藝，運用具有導電、介電或半導體性質(zhì)的墨料低成本地印制功能微結(jié)構(gòu)，再通過共燒結(jié)的方法將功能微結(jié)構(gòu)與陶瓷基材融為一體的技術(shù)。各種印刷手段對應的設(shè)計與場景不同，互為補充。該技術(shù)對簡單曲面(圓柱曲面、錐體曲面)的適用性較好，但是對大型復雜曲面的直接印刷難度較大。較其他FSS結(jié)構(gòu)制備技術(shù)而言，該技術(shù)成本低、基材適應性好，其研究的關(guān)鍵在于電子漿料的配方和陶瓷基復合材料的表面處理。

第4類是直接加工工藝，包括配合基材金屬化技術(shù)的數(shù)字化機械加工、金屬絲及金屬箔的直接成型等。配合濺射鍍膜金屬化技術(shù)的數(shù)字化機械加工技術(shù)方面，有報道研究了五自由度刻銑機器人加工曲面FSS天線罩的方法，該方法雖可以加工復雜曲面FSS天線罩，但加工系統(tǒng)復雜，成本較高[32]。金屬絲及金屬箔直接成型方面，只能解決特定功能微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)的問題，其思路是直接將金屬絲或功能微結(jié)構(gòu)單元的金屬箔預埋到纖維增強織物中，再成型或熱壓、包埋到成型好的陶瓷基復合材料上，該技術(shù)的不足之處在于所面向的場景有限，制造精度低、可靠性差。

4 國內(nèi)陶瓷基FSS透波材料工藝研究現(xiàn)狀

由于FSS透波材料的研究涉及到物理、化學、材料科學、激光技術(shù)、表面科學、儀器設(shè)備等多學科的交叉，技術(shù)難度較大，國內(nèi)陶瓷基FSS透波材料的工藝與應用研究遠遠落后于理論研究。在陶瓷基FSS天線罩工藝研究方面，國內(nèi)的主要研究單位有航天特種材料及工藝技術(shù)研究所、國防科技大學、航天江北機械工程有限公司、山東工陶院、深圳光啟研究院、空軍工程大學、電子科技大學等。

航天特種材料及工藝技術(shù)研究所圍繞成熟的熔融石英材料和石英纖維增強二氧化硅(SiO2f/SiO2)復合材料，在國內(nèi)較早地面向各種設(shè)計與應用開展了一系列基于不同工藝、面向不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的陶瓷基FSS透波材料工藝研究。

基于柔性膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所研究了幾種制備具有FSS結(jié)構(gòu)的纖維增強陶瓷基透波材料及耐高溫FSS天線罩的方法[17-20]。圖5是采用生瓷片絲印FSS圖案后，將其成型在石英薄層中得到的FSS夾層結(jié)構(gòu),通過CT圖像可知，燒結(jié)后的圖案完整未破裂，圖案線條連續(xù)且清晰可辨，復合材料材料層間結(jié)合較好。

圖5 膜轉(zhuǎn)移工藝典型曲面FSS樣件

基于激光相關(guān)加工工藝，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所聯(lián)合大連理工大學研發(fā)了一種涂覆刻蝕工藝及其配套設(shè)備。該工藝可以實現(xiàn)大尺寸構(gòu)件內(nèi)外表面功能微結(jié)構(gòu)的高精度加工。圖6為該工藝制備的外表面及狹窄深腔構(gòu)件內(nèi)表面帶有功能微結(jié)構(gòu)的典型陶瓷基FSS透波材料樣件。

圖6 刻蝕工藝制備的外表面及內(nèi)表面帶有功能微結(jié)構(gòu)的典型陶瓷基FSS樣件

在陶瓷基FSS透波材料工藝研究方向上，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所開展工作最多的是印刷電子技術(shù)研究，目前已經(jīng)能夠在熔融石英材料以及SiO2f/SiO2復合材料表面制備各種高精度耐高溫功能微結(jié)構(gòu)(見圖7、圖8)，可用于研制各類耐高溫FSS天線罩以及耐高溫共型天線。使用該技術(shù)在陶瓷透波材料表面制備的功能微結(jié)構(gòu)圖案的精度能夠達到50 μm，厚度為10～20 μm，方阻為10～30 mΩ/sq。同時，試驗結(jié)果表明絲印技術(shù)制備的FSS結(jié)構(gòu)導電性良好，能夠表現(xiàn)出預期的頻率調(diào)諧特性且可直接面對800 ℃以上的高溫氣流沖刷。

圖7 熔融石英基材(上)及SiO2f/SiO2基材(下)表面FSS結(jié)構(gòu)的顯微圖像

圖8 絲網(wǎng)印刷平面及曲面FSS樣件

國防科技大學及航天江北機械工程有限公司的陶瓷基FSS研究主要圍繞纖維增強陶瓷基透波材料開展。

國防科技大學提出了一種基于纖維增強陶瓷基透波復合材料的耐高溫FSS結(jié)構(gòu)制備方法[21]，據(jù)報道，這種結(jié)構(gòu)可以耐受700 ℃以上的高溫。該結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外包括復合材料基體、修飾粘接層和FSS結(jié)構(gòu)層三部分。修飾粘接層是低介電常數(shù)材料，采用等離子噴涂工藝制備。FSS圖案層可以是貴金屬物理鍍層也可以是貴金屬漿料涂層，采用激光加工工藝制備，尺寸精度優(yōu)于20 μm。近期，國防科技大學還提出了一種耐溫1 300 ℃頻率選擇透波/隔熱/隱身結(jié)構(gòu)及其制備方法，所述頻率選擇透波/隔熱/隱身結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外依次為隔熱層、透波層、頻率選擇層、陶瓷防護層。FSS結(jié)構(gòu)的制備工藝主要為鉑漿的絲網(wǎng)印刷工藝，當圖案線寬小于0.2 mm時，輔以激光刻蝕技術(shù)提高圖案精度[22]。

圖9 國防科大制備的FSS結(jié)構(gòu)層

湖北三江航天江北機械工程有限公司提出了一種基于石墨烯FSS的SiO2f/SiO2復合材料頻選隱身天線窗口的制備方法。其在SiO2f/SiO2復合材料天線窗口的透波內(nèi)表面通過化學氣相沉積處理得到石墨烯膜層，再將石墨烯膜層通過激光刻蝕，工藝本質(zhì)上與金屬涂層的激光刻蝕沒有區(qū)別[23]。

山東工陶院、深圳光啟研究院、空軍工程大學、電子科技大學的陶瓷基FSS研究主要圍繞均質(zhì)透波材料開展，除熔融石英陶瓷和氮化硅基材外，其他微波介質(zhì)陶瓷基材的研究與陶瓷基FSS天線罩的實際工程應用差距較大。

山東工陶院以多孔氮化物陶瓷材料為多層FSS結(jié)構(gòu)透波材料的基體，以耐高溫的金屬鉑為導電圖案材料，采用絲網(wǎng)印刷工藝用鉑漿在陶瓷基體表面直接制備了耐高溫的諧振結(jié)構(gòu)，隨后將這種具有FSS結(jié)構(gòu)的單層材料通過無機膠黏劑復合為具有多層FSS結(jié)構(gòu)的耐高溫寬頻透波材料，并對其微觀結(jié)構(gòu)和透波性能進行了測試分析。結(jié)果表明這種多層復合樣件的FSS結(jié)構(gòu)在9.5～18 GHz具有95%以上的透波率，與理論設(shè)計的透波性能吻合較好[25]。此外，工陶院還使用耐高溫導電陶瓷(TiB2或TiN)代替鉑在多孔氮化物陶瓷表面制備了耐高溫FSS結(jié)構(gòu)，其采用的工藝為磁控濺射鍍膜加激光刻蝕工藝[26]。

深圳光啟研究院針對陶瓷天線罩使用需求，結(jié)合熔融石英材料，開發(fā)了多種低溫共燒陶瓷 (LTCC) 技術(shù)與通過生帶連接陶瓷技術(shù)相結(jié)合的新方法，以制造夾有耐高溫FSS層的透波結(jié)構(gòu)。采用該方法制備的透波結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)SS層被嵌在熔融石英陶瓷表面層下加以保護，而且由于燒結(jié)收縮受限，F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)尺寸在燒結(jié)前后沒有發(fā)生顯著變化，實測結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好[27-29]。此外，深圳光啟研究院還嘗試將天線系統(tǒng)與FSS天線罩共同設(shè)計，在寬屏透波的同時，提高天線的輻射能力。方案中陶瓷基透波材料包括2層第1陶瓷基板、網(wǎng)格狀多個金屬微結(jié)構(gòu)以及覆蓋于第1陶瓷基板外部，且不同于第一陶瓷基板的第2陶瓷基基板，兩層基板通過填充液態(tài)基板原料或者組裝互相連接在一起，微結(jié)構(gòu)通過蝕刻或電鍍工藝得到[33]。

圖10 山東工陶院制備的多層FSS復合材料

圖11 深圳光啟研究院的陶瓷基FSS結(jié)構(gòu)樣件示意圖

電子科技大學主要對X波段陶瓷FSS設(shè)計和優(yōu)化進行了研究，并探索了基于摻雜Li2O-K2O-Al2O3體系石英陶瓷的高溫共燒陶瓷(HTCC)制備工藝，解決了疊層樣品分層、起泡、開裂等難題，制備出了可測試的單層及多層陶瓷基FSS透波材料平板[30-31]。

空軍工程大學提出了一種基于高介低損全介質(zhì)超材料的雙通帶頻率選擇表面，包括雙層微波陶瓷結(jié)構(gòu)以及雙層微波陶瓷結(jié)構(gòu)之間夾隔的空氣層，微波陶瓷結(jié)構(gòu)由刻蝕十字花型孔徑結(jié)構(gòu)的微波陶瓷基板與圓柱形介質(zhì)諧振器構(gòu)成，圓柱形介質(zhì)諧振器安裝在十字花型孔徑結(jié)構(gòu)中央，微波陶瓷基板采用高介低損微波陶瓷材料，通過調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)中央的介質(zhì)諧振器半徑可拓展和優(yōu)化FSS的帶通特性。該材料具有低損耗、高功率容量和耐高溫等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)在Ku波段的雙頻段的選通特性，且具有極化不敏感和良好的角度穩(wěn)定性[34]。

5 展望

電子印刷技術(shù)部分甚至全部取代傳統(tǒng)光刻與刻蝕工藝制造輕薄的電子元器件已經(jīng)成為現(xiàn)實。拋開具體的FSS結(jié)構(gòu)設(shè)計方案來看，耐高溫FSS透波材料可以抽象為一類表面或內(nèi)部具有特定耐高溫導電圖案的耐高溫介電材料?；陔娮佑∷⒓夹g(shù)的耐高溫FSS透波材料工藝技術(shù)可用于在陶瓷透波材料內(nèi)部或表面制備特定的耐高溫導電圖案，而這樣的金屬化的陶瓷材料也將成為包括陶瓷基FSS天線罩、耐高溫共形天線在內(nèi)的耐高溫天線系統(tǒng)的材料基礎(chǔ)，一旦技術(shù)獲得突破將快速帶動上下游相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

國內(nèi)面向應用的耐高溫FSS透波材料工藝技術(shù)研究剛剛起步，尚處于探索階段，盡管應用前景廣闊，但由于其工程化應用需要涉及多個學科的交叉，而且國內(nèi)研究單位的專業(yè)融合度遠遠不夠，大尺寸異型構(gòu)件的制備工藝并沒有實質(zhì)性突破，質(zhì)量表征評價技術(shù)也顯不足，真正實現(xiàn)該材料的工程化應用仍需解決很多關(guān)鍵技術(shù)。