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【專題綜述】透波材料及纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料的研究進(jìn)展

2024-04-30 188

陶瓷透波材料因力學(xué)性能優(yōu)異、介電性能出色、高溫抗氧化性良好，耐腐蝕、抗燒蝕，是高溫透波領(lǐng)域的主要選擇材料。但隨著高馬赫數(shù)飛行器的快速發(fā)展，對天線罩（窗）用透波材料的綜合性能提出了更高的要求。在此情形下，纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料便脫穎而出，受到研究者的廣泛關(guān)注。本文主要介紹石英陶瓷透波材料、氮化硅陶瓷透波材料、氧化硅纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料、氧化鋁纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料、氮化硅纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料綜合性能以及國內(nèi)外的研究成果。對未來陶瓷透波材料的發(fā)展和研究方向進(jìn)行了總結(jié)。

一、陶瓷透波材料

隨著我國科研水平的進(jìn)步和航天事業(yè)的發(fā)展，透波陶瓷材料是高馬赫數(shù)飛行器天線罩（窗）的重要候選材料，其中氧化物和氮化物等陶瓷透波材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，也是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

1、石英陶瓷透波材料

石英陶瓷熱膨脹系數(shù)較低、熔點(diǎn)較高、介電性能良好、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、抗熱沖擊性能和抗熱震性能突出。但石英陶瓷的力學(xué)性能較差、抗彎強(qiáng)度較低，不能滿足當(dāng)前天線罩（窗）用透波材料的要求。所以在實(shí)際應(yīng)用中通常會引入第二相材料，例如氧化鋁、氧化鋯制成復(fù)合材料。

2、氮化硅陶瓷透波材料

氮化硅陶瓷憑借較低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的高溫性能，良好的透波性、導(dǎo)熱性，耐腐蝕、耐磨損等，而被用于制造天線罩、天線窗。同時(shí)氮化硅屬于原子晶體，原子結(jié)合的能力很強(qiáng)，是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。但作為共價(jià)化合物，氮化硅陶瓷燒結(jié)困難，且在燒結(jié)過程中存在體積收縮和玻璃相殘留等問題。根據(jù)目前研究現(xiàn)狀來看，想要在航空航天領(lǐng)域大力發(fā)展氮化硅陶瓷透波材料，還需在制備耐高溫、抗氧化焊料以及開發(fā)低成本焊料和焊接工藝上進(jìn)一步研究。

二、纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料

隨著高馬赫數(shù)飛行器的快速發(fā)展，對天線罩（窗）用透波材料在力學(xué)性能、介電性能等綜合性能提出了更高的要求，以適應(yīng)高熱力狀態(tài)下的飛行環(huán)境，陶瓷透波材料已無法滿足輻射、沙蝕、雨水沖蝕、高溫、高荷載等惡劣極端環(huán)境下的應(yīng)用需求。因此，纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料在原材料的基礎(chǔ)上以更優(yōu)異的性能，受到研究者的廣泛關(guān)注，陶瓷纖維也成為熱點(diǎn)話題。

陶瓷纖維是一種新型耐高溫材料，避免了傳統(tǒng)陶瓷材料本身脆性大的缺點(diǎn)。且具有耐高溫抗氧化性、耐化學(xué)腐蝕性、力學(xué)性能優(yōu)異、比模量高和密度低等優(yōu)點(diǎn)。以上特點(diǎn)使陶瓷纖維在氧化性氣氛或其他有害氣氛中仍可以保持較高的強(qiáng)度，是航空航天領(lǐng)域優(yōu)異的候選材料。

1、氧化硅纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料

氧化硅纖維陶瓷作為一種新型超硬復(fù)合材料，憑借優(yōu)良的力學(xué)性能和介電性能，是目前天線罩（窗）所用的出色的透波材料。但根據(jù)研究現(xiàn)狀來看，氧化硅纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料仍存在高溫條件下力學(xué)性能不穩(wěn)定、強(qiáng)度較低等問題。

2、氧化鋁纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料

氧化鋁纖維具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐侵蝕等優(yōu)點(diǎn)，被人們認(rèn)為是航空航天領(lǐng)域最有前景的高溫材料之一。溶膠-凝膠法是當(dāng)前找到的最佳制備氧化鋁纖維的方法，但現(xiàn)存的主要問題是氧化鋁纖維在燒結(jié)過程中，存在晶粒尺寸不易把握、晶相轉(zhuǎn)變時(shí)間和溫度難以控制的問題。

3、氮化硅纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料

氮化硅纖維介電性能良好，耐高溫抗氧化性能突出，力學(xué)性能優(yōu)異，耐熱震性能和耐化學(xué)腐蝕性能出色，熱膨脹系數(shù)低，是制備高馬赫導(dǎo)彈天線罩（窗）的理想材料。

三、未來發(fā)展與展望

陶瓷透波材料和纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域存在巨大優(yōu)勢的同時(shí)也有需要加強(qiáng)改進(jìn)的地方，研究者應(yīng)充分發(fā)揮它們的發(fā)展?jié)摿?。未來陶瓷透波材料的研究?yīng)集中在以下幾個方面：

（1）對大尺寸石英陶瓷天線罩制備技術(shù)與應(yīng)用研究是下一步研究方向，同時(shí)對石英陶瓷材料裂紋、雜質(zhì)、氣孔等問題的研究也要進(jìn)一步深入。

（2）氮化硅陶瓷需在制備耐高溫、抗氧化焊料以及開發(fā)低成本焊料和焊接工藝上進(jìn)一步研究。

（3）現(xiàn)有氧化硅纖維增強(qiáng)氧化硅基復(fù)合材料還需要解決高溫條件下力學(xué)性能不穩(wěn)定、強(qiáng)度較低等問題。

（4）氧化鋁纖維在燒結(jié)過程中，晶粒尺寸不易把握以及晶相轉(zhuǎn)變時(shí)間和溫度難以控制的問題是后續(xù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（5）提升氮化硅纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能是未來要持續(xù)研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]林道晴,張琪凱,侯振華,等.透波材料及纖維增強(qiáng)透波復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J/OL].現(xiàn)代化工:1-6[2024-04-22].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2172.TQ.20240402.1110.004.html.

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