二氧化硅體系透波材料的透波機(jī)理及研究現(xiàn)狀

1、二氧化硅體系透波材料的透波機(jī)理及研究現(xiàn)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(jī)理，論述了二氧化硅體系透波材料的研究現(xiàn)狀，并指出了其發(fā)展方向。關(guān)鍵詞透波材料，透波機(jī)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11000mm,頻率在0.3300GHz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(dá)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(shè)施中2。本文主要介紹二氧化硅體系透波材料的透波機(jī)理以及在導(dǎo)彈雷達(dá)天線罩中的應(yīng)用。雷達(dá)（包括地面雷達(dá)、移動雷達(dá)和導(dǎo)彈雷達(dá)）天線罩作為制導(dǎo)武器系統(tǒng)的重要組

2、成部分，首當(dāng)其沖面臨著高技術(shù)、高性能的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)3。微波透波材料屬結(jié)構(gòu)-防熱-透波一體化的功能材料，涉及多學(xué)科專業(yè)和設(shè)計、材料、功能、性能檢測等系統(tǒng)工程4。美、俄、德、英等國對此進(jìn)行了深入的研究和應(yīng)用。隨著航空航天技術(shù)的進(jìn)步，二氧化硅體系天線罩材料獲得了很大的發(fā)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(jù)天線罩的工作環(huán)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(shù)和損耗角正切值tan8）是選擇天線罩材料的主要依據(jù)6。具體來講，首先要考察材料的傳輸系數(shù)，此為關(guān)鍵參數(shù)，它主要受材料的介電常數(shù)和損耗角正切值tan端ij約。制導(dǎo)系統(tǒng)中，天線罩的

3、傳輸效率和瞄準(zhǔn)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(guān)系。介質(zhì)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(shù)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(shù)也盡可能低，以獲得較高的傳輸系數(shù)和較寬的壁厚容差，從而可增加罩壁厚度，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善加工性能。一般情況下，在0.3300GHz頻率范圍內(nèi)，透波材料的適宜e值為14,tan6為10-310-2數(shù)量級，這樣才能獲得較理想的透波性能和較小的損失導(dǎo)彈的高馬赫數(shù)使天線罩的瞬時加熱速率高達(dá)120C/s以上，因此要求材料具有良好的抗熱沖擊性能。材料的

4、熱膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，材料特性（如介電性能、機(jī)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(xué)性能，如抗沖擊強(qiáng)度直接關(guān)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(jī)械應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ俊Ｖ关巴?，材料的密度也是一個重要的性能參數(shù)，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(jī)理材料的透波性能與材料的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)以及環(huán)境條件等因素有關(guān)。3

5、.1 介電常數(shù)的機(jī)理透波材料一般為電介質(zhì)材料。電介質(zhì)材料由許多一端帶正電，另一端帶負(fù)電的分子（或偶極子）組成一般情況下，介質(zhì)內(nèi)的偶極子做雜亂無章的熱運動，因此分子的排列毫無規(guī)則，當(dāng)介質(zhì)材料處于直流電場中時，介質(zhì)內(nèi)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(fù)極，使雜亂運動的毫無規(guī)則的偶極子，變成了有一定取向的有規(guī)則排列的極化分子，即介質(zhì)在外加電場作用下有極化現(xiàn)象，介質(zhì)極化產(chǎn)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(zhì)，極化越厲害，合成電場就越弱，此時，介質(zhì)的介電常數(shù)越大。所以，介電常數(shù)是標(biāo)志介質(zhì)極化難易程度的一個物理量，它反映了介質(zhì)對

6、外電場反作用的強(qiáng)弱。3.1.1 介質(zhì)總極化的分類介質(zhì)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(zhuǎn)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(guān)，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(zhuǎn)向極化即屬于這種情況。3.1.2 各種極化產(chǎn)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(fā)生位移產(chǎn)生偶極矩；離子極化是由于弱聯(lián)系離子在平衡范圍附近發(fā)生相對位移而產(chǎn)生偶極矩；而偶極子轉(zhuǎn)向極化是由具有永久電偶極矩的諸分子所產(chǎn)生

7、，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S的機(jī)理如果把電介質(zhì)放在交變電場中，則電介質(zhì)在交變電場的作用下被反復(fù)極化，外電場的變化越快（即頻率越高），偶極子反復(fù)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(nèi)發(fā)生迅速的振動或轉(zhuǎn)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(dǎo)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(dá)到同相時，那么束縛電荷將在半個周期內(nèi)從電場中取得能量，在另半個周期內(nèi)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兀/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(zhì)內(nèi)劇烈運動的同

8、時又在相互作用，并受到周圍介質(zhì)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(dá)不到兀/2,而是比兀/2要小一個角度8。這樣，位移電流就有了有功分量，由此可見，角度6的大小與介質(zhì)吸收電能轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨韮?nèi)能的程度有密切關(guān)系，所以把8叫做損耗角。介質(zhì)損耗主要有松馳極化損耗、電導(dǎo)損耗及結(jié)構(gòu)損耗等形式。在極化過程中，束縛電荷由于與周圍介質(zhì)不斷發(fā)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(zhì)不是理想的絕緣體，不可避免地存在一些弱聯(lián)系的導(dǎo)電載流子，在外電場作用下定向漂移，從而形成小的傳導(dǎo)電流，這些傳導(dǎo)電流以熱的形式消耗掉，即為電導(dǎo)

9、損耗；還有一類和介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗稱為結(jié)構(gòu)損耗。3.3 、ta評椒率的關(guān)系介質(zhì)在交變電場中通常發(fā)生弛豫現(xiàn)象，介質(zhì)放在外電場的作用之中，從開始的瞬間到極化穩(wěn)定狀態(tài)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10-1510-12秒，而轉(zhuǎn)向極化為10-510-3秒。介電常數(shù)以及損耗角正切tan肝口入射微波的頻率是有關(guān)系的，它們隨頻率的變化關(guān)系總趨勢是：頻率升高時，降低，損耗角正切值tan8隨著頻率的升高呈波動式變化，tan植最大點與值下降的區(qū)域相對應(yīng)。具體來說：當(dāng)入射波頻率很低時，30,介質(zhì)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(shù)達(dá)最大值，

10、介電損耗主要由漏導(dǎo)引起；當(dāng)外加電場頻率逐漸升高時，轉(zhuǎn)向極化在某一頻率開始跟不上外加電場的變化，轉(zhuǎn)向極化對介電常數(shù)的貢獻(xiàn)逐漸減小，因而隨3升高而減小。在這一頻率范圍內(nèi)，tanS隨著3的升高而增大，當(dāng)頻率很高時，,介電常數(shù)僅由位移極化決定。此時tanS隨著3的升高而減小。3.4 &ttan闞度的關(guān)系溫度對松馳極化產(chǎn)生影響，因而tanS在不同的溫度下也是不同的。一般來說：當(dāng)溫度很低時，弛豫時間T較大，3T1,分子熱運動很弱，&主要由快極化提供，在一段溫度變化范圍內(nèi)變化不大；隨著溫度T的升高，分子的熱運動加強(qiáng)，削弱了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)力。所以，在外電場的作用下，介質(zhì)比較容易被極化，呈指數(shù)式規(guī)律上升，且熱運動越

11、強(qiáng)，對極化越有利。在此溫度范圍內(nèi)，T減小，tan獨減??；但當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時，再繼續(xù)升溫，值反而有下降的趨勢。這是因為，此時的熱運動占據(jù)了主導(dǎo)地位，反而削弱了外電場的作用，定向極化發(fā)生困難，因此值急劇下降。但由于此時電導(dǎo)損耗劇烈上升，tan3也隨溫度上升，并呈指數(shù)規(guī)律急劇上升。故對一定物質(zhì)來說，有一個(T)最大的區(qū)域。4二氧化硅體系透波材料的研究現(xiàn)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(zhì)纖維織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料。4.1國外研究現(xiàn)狀熔融石英陶瓷是美國Georgia理工學(xué)院在20世紀(jì)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(chǎn)的一種非晶態(tài)產(chǎn)品。它既

12、保留了石英玻璃的諸多優(yōu)點，又因為可采用陶瓷的一系列生產(chǎn)工藝，所以可制成各種復(fù)雜的外形，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在玻璃、冶金、航空航天等領(lǐng)域。熔融石英陶瓷是高速高空導(dǎo)彈天線罩的一種優(yōu)良材料。國外不同型號、不同空域的導(dǎo)彈，如美國的“愛國者”、“潘興”n號及意大利的“Aspide”導(dǎo)兼國陸軍“SamD”導(dǎo)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(yōu)點：（1）極小的線膨脹系數(shù)（約0.5X106K-1）,較好的抗熱沖擊性能；（2）低的介電常數(shù)（3.03.5）和損耗角正切（小于0.0004）,且隨溫度變化小；（3）導(dǎo)熱系數(shù)小，熱防護(hù)能力好；（4）強(qiáng)度隨溫度的升高而升高；（5）制造工藝相對來說較

13、簡單，成本較低。熔融石英陶瓷導(dǎo)彈天線罩的缺點是力學(xué)性能不佳，強(qiáng)度較低（4570MPa）,斷裂韌性較低（約1MPa?m1/2）,抗雨蝕性較差，易吸潮，不適合用在馬赫數(shù)在5以上的導(dǎo)彈上。為保持石英陶瓷材料的優(yōu)點，同時克服其力學(xué)和抗侵蝕性能低等缺點，在7080年代，以中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈天線窗為應(yīng)用背景，美國GeneralElectric和Philco-Ford分別研制了不同結(jié)構(gòu)的三維多向石英或氮化硼織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料，該材料一方面具有石英陶瓷優(yōu)異的電性能，同時又具有明顯好于石英陶瓷的力學(xué)性能、抗熱沖擊性能和抗雨蝕性能。由于受編織技術(shù)的限制，當(dāng)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(yīng)用。后

14、來美國GeneralElectric和Philco-Ford1011又采用無機(jī)先驅(qū)體浸漬燒成工藝，即硅溶膠（SiO2先驅(qū)體）浸漬石英織物技術(shù)并在一定溫度下進(jìn)行熱處理，研制出3D石英纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料，牌號為AS-3DX和Markie3DQ,其中AS-3DX材料常溫時=2.88tan8=0.00612（5.841GHz）石英纖維織物增強(qiáng)石英復(fù)合材料的表面熔融溫度，使其與石英玻璃接近（約1735C）,是高溫狀態(tài)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(dǎo)彈。在AS-3DX基礎(chǔ)上，美國AdvancedMaterialsDevelopmentLaboratory（AMDL）研制出

15、4D全向高純石英織物增強(qiáng)石英復(fù)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(jīng)510c除膠，再用硅烷偶聯(lián)劑處理以提高材料強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變；選用DuPont公司的低Na含量的As系列硅溶膠，經(jīng)穩(wěn)定化處理（pH=1）后浸漬石英織物，85c烘干16h,再經(jīng)650c熱處理4h,如此循環(huán)浸漬燒成6個周期以上，最后經(jīng)機(jī)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(qiáng)度35MPa，斷裂應(yīng)變1.0%,可視為“塑性”陶瓷，&=K8I,Tan8=0.006(250MHz)。燒成后的二氧化硅基體為活性較高的多孔結(jié)構(gòu)，

16、易吸附水蒸氣。利用鹵硅烷與基體表面的吸附水反應(yīng)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?zhí)加绊懡殡娦阅堋?997年，在美國陸軍部資助下，又研制出無壓燒結(jié)的SiO2納米復(fù)合陶瓷天線罩，應(yīng)用于極超音速飛行器。該材料在25c和1000c下的介電常數(shù)和介電損耗分別為4.78、0.0014和5.00、0.0025,介電常數(shù)變化不到4.7%,抗彎強(qiáng)度190MPa,為石英陶瓷(48MPa)的4倍，硬度10440MPa)為石英陶瓷(21205000MPa)的25倍，綜合性能顯著優(yōu)越于石英陶瓷13。4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)二氧化硅體系透波材料的研究進(jìn)展與軍事大國相比仍然存在較大差距。下

17、表列出了國內(nèi)外復(fù)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(nèi)第一種高溫天線罩材料，成功應(yīng)用于超音速中低空防空導(dǎo)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(xiàn)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(shù)、突出的抗熱震性能和較低的密度而被用作導(dǎo)彈的整流罩。但其抗雨水沖刷能力差、吸水性強(qiáng)，這是由于材料不夠致密，存在一定的氣孔所致，且其機(jī)械性能較差(機(jī)械強(qiáng)度約為60MPa),難以滿足飛行速度在5馬赫7以上的高速導(dǎo)彈的要求。姚俊杰等人78嘗試在SiO2中添加Si3N4顆粒，由

18、于Si3N4和SiO2在熱膨脹系數(shù)上存在差異而形成的殘余應(yīng)力場以及高彈性模量，所以Si3N4顆粒的加入可使SiO2-Si3N4復(fù)合材料的力學(xué)性能比SiO2基體材料有很大的提高。但是復(fù)合材料的介電常數(shù)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(fā)展5Ma以上的防空導(dǎo)彈，國內(nèi)采用石英陶瓷天線罩制造技術(shù)，研制出增強(qiáng)型石英陶瓷天線罩，目前已應(yīng)用于某型號高速防空導(dǎo)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(nèi)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(jìn)一步改進(jìn)，以滿足更先進(jìn)型號的需求。為滿足中、遠(yuǎn)程地-地戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈天線窗需求，國內(nèi)先后研制和發(fā)展了石英

19、玻璃材料、高硅氧穿刺織物和正交三向石英織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料，這些材料己經(jīng)在多種型號上獲得應(yīng)用成功。為滿足精確制導(dǎo)中程導(dǎo)彈天線罩的需求，國內(nèi)以高硅穿刺和三向石英天線窗材料為基礎(chǔ)，已研究發(fā)展出整體石英織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料。總之，在無機(jī)材料中，石英陶瓷材料以其優(yōu)良性能不但能適用于飛行速度35馬赫的導(dǎo)彈天線罩，還能滿足再入環(huán)境條件下的熱絕緣、抗熱沖擊特性要求以及雷達(dá)透明性要求。但對于中程導(dǎo)彈機(jī)動飛行彈頭，由于其飛行馬赫數(shù)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(yīng)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(dǎo)導(dǎo)彈中淘汰石英陶瓷罩14,改用復(fù)合材料天

20、線罩或復(fù)相陶瓷。一般來說，高馬赫數(shù)短時間飛行可采用硅質(zhì)纖維增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料、含除碳劑的硅樹脂基復(fù)合材料或復(fù)相陶瓷，中低馬赫數(shù)長時間飛行的必須選用不碳化的陶瓷基復(fù)合材料，如織物增強(qiáng)磷酸鹽和二氧化硅基體等。經(jīng)纖維增強(qiáng)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(wěn)定，且強(qiáng)度比原來提高14%左右。除采用纖維增強(qiáng)石英陶瓷外，還可采用退火、制造表面壓應(yīng)力層、彌散顆粒增強(qiáng)等方法來提高石英陶瓷天線罩的強(qiáng)度。目前，可采用化學(xué)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(yīng)力層9o5展望二氧化硅體系透波材料具有小的介電常數(shù)，極小的線膨脹系數(shù)，較好的抗熱沖擊性能和很好的熱防護(hù)能力等優(yōu)

21、點，但其力學(xué)性能不佳、強(qiáng)度較低(4570MPa)、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(yīng)用，尤其是在要求高可靠性的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)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(jìn)展來看,連續(xù)纖維增韌效果最好，它可以同時提高材料強(qiáng)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(jié)合的問題還沒有得到很好的解決。穩(wěn)定的高頻介電性能、良好的熱性能、良好的力學(xué)性能和耐環(huán)境性能是新型高性能透波材料的研究重點和發(fā)展方向。二氧化硅體系透波材料的發(fā)展首先緣于其軍用目的，但隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，其應(yīng)用將進(jìn)一步拓寬，會由軍用轉(zhuǎn)向民用，如一些天文望遠(yuǎn)鏡的

22、保護(hù)罩，一些診療儀器的透波窗15,以及用于通訊系統(tǒng)、彩電中心、微波塔樓、微波中繼站等科技和民用設(shè)施16參考文獻(xiàn)1仝毅,周馨我.微波透波材料的研究進(jìn)展J.材料導(dǎo)報,1997,11(3):152程蓮娣.FBC鈍型毫米波天線罩的研究J.宇航材料工藝,1993,4:55583王小群，杜善義,韓杰才.高速寬頻帶防空導(dǎo)彈天線罩研制探討J.宇航材料工藝,1998,2:17234黎義，張大海,陳英等.航天透波多功能材料研究進(jìn)展J.宇航材料工藝，2000,5:155傅恒志，朱明，楊尚勤.空間技術(shù)與材料科學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2000,37406黎義,李建保.航天透波多功能復(fù)合材料的介電性能分析J.宇航材料

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