高溫透波材料研究及進展

葉子，段海軍，崔超鵬，經瀟倩，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 的范圍內并且頻率在3×108到3×1011Hz的范圍內，電磁波的透過率大于70% 的材料[1]。按照結構分類，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境條件下，保護飛行器的通訊、制導、遙測、引爆等系統的正常工作，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，俄羅斯在磷酸鹽基透波材料方面的技術也遙遙領先，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。高溫透波材料的發展不僅推動了相關技術的引導與發展，還促進了其廣泛應用。

1 國內外高溫透波材料現狀

1.1 國外透波材料現狀

國際各國都對高溫透波材料有相關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)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，并且已經有了一套成熟且擁有自己特色的工藝技術和材料系統。俄羅斯對磷酸鹽基的性能、結構、工藝等方面都有著豐富的經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磷酸鹽溶液浸漬后加壓固化而得，經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穩定，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穩定的性能[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體生產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體獲得SiBN 纖維。

1.2 國內透波材料現狀

雖然國內在透波材料領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域還是在纖維增強陶瓷基復合材料領域都有研究。

國內已經有幾十年關于石英陶瓷天線罩/ 窗研制并且成功投入生產的歷史，產品構件質量已經十分穩定，已經先后被成功應用在多個地空、空空飛行器發動機葉片上。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，北京玻璃纖維設計研究院[12]研發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，哈爾濱工業大學[10]研發出將石英纖維涂覆的磷酸鋁溶液中層壓后在低溫下燒結，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。通常會用抗熱沖擊系數R來描述材料的熱抗震性。材料熱導率和熱膨脹系數也會影響材料的抗熱震性。如果材料的熱膨脹系數較高，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境，例如：自由分子流、過量流和連續流。它經常遇到水凝結，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 優異的介電性能

作為制導系統的一部分，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。介電常數作為一個物理量，它反映的是使介質極化的難易程度，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生的熱轉換，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。孔隙率越高，燒結體的介電常數越低，而系統的介電常數越小，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。

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良性能對材料的透波性也有著一定的影響[17]。

3 結語

在今后的發展中高溫透波材料主要還是在傳統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點來彌補另一種材料的缺點的方式來制備出性能更優良的材料。此外，在研究透波材料的基本結構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律、熱物理性能、力學性能、殘碳率等性能。