熱壓氟化鎂材料的制備與應(yīng)用

熱壓氟化鎂材料的制備與應(yīng)用

1中波氟化鎂材料特性當(dāng)熱壓氟化鎂通過(guò)3.5.m的紅外段和2mm厚時(shí)，其紅外滲透性超過(guò)90%，是現(xiàn)有紅茶材料的最大概率。熱壓氟化鎂還具有機(jī)械強(qiáng)度高、抗熱沖擊性強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕以及各向同性等諸多特點(diǎn),而且其介電常數(shù)和介電損耗較小,是良好的中波紅外窗口、整流罩材料和中波紅外/毫米波(微波)復(fù)合天線罩材料,廣泛用于紅外制導(dǎo)、紅外成像制導(dǎo)、紅外/毫米波(微波)復(fù)合制導(dǎo)以及飛機(jī)紅外吊艙、光電雷達(dá)等紅外跟蹤、探測(cè)、制導(dǎo)系統(tǒng)中。本文介紹了熱壓氟化鎂材料的制備方法、主要性能及應(yīng)用的研究進(jìn)展。2熱壓氟化鎂材料的研究熱壓氟化鎂是由粒徑大小及分布合適的高純氟化鎂粉末,在真空或惰性氣氛中,600～700℃、100～300MPa下熱壓而成。在熱壓過(guò)程中,粉末態(tài)的氟化鎂微晶粒子在高溫高壓下被擠緊、壓碎和再分布,并產(chǎn)生范性形變,逐步縮小和消除了微氣孔,最終實(shí)現(xiàn)晶粒表面間的強(qiáng)力接觸,從而最大限度的降低了自由能,形成了具有高致密度和高強(qiáng)度的多晶體。實(shí)驗(yàn)表明,完全消除了由微氣孔引起的散射的熱壓氟化鎂多晶的紅外透過(guò)率幾乎和單晶一樣,其密度也接近氟化鎂單晶以致達(dá)到理論值。最早采用熱壓法制備紅外材料的美國(guó)EastmanKodak公司、BausohandLomb公司等在20世紀(jì)50年代中期開(kāi)始熱壓氟化鎂等紅外材料的研制,并在1960年前后研制成功了熱壓氟化鎂。其中EastmanKodak公司的產(chǎn)品牌號(hào)為Irtran-1,BausohandLomb公司的產(chǎn)品牌號(hào)為Irtran-51。20世紀(jì)70年代末,中材人工晶體研究院在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了熱壓氟化鎂紅外材料的研究,在跟蹤國(guó)外研究動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)氟化鎂原料的實(shí)際,較好地解決了熱壓原料的制備與處理、熱壓溫場(chǎng)、壓力與氣氛的控制以及工藝參數(shù)的優(yōu)化組合、模具設(shè)計(jì)等技術(shù)關(guān)鍵,從而有效地減少了產(chǎn)品中的散射顆粒、裂紋、雙色、云霧等缺陷,質(zhì)量達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品同等水平,并先后研制出多種規(guī)格的紅外窗口和整流罩產(chǎn)品。3熱壓氟化鎂是理想的中波紅外光學(xué)窗口和整流罩材料熱壓氟化鎂紅外材料作為紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的紅外窗口和整流罩,是導(dǎo)彈的關(guān)鍵部件,它既要有好的光學(xué)性能,以保證紅外探測(cè)的質(zhì)量;又能在惡劣環(huán)境中工作,經(jīng)受導(dǎo)彈高速飛行時(shí)的氣動(dòng)沖擊及由氣動(dòng)沖擊加熱帶來(lái)的熱沖擊和風(fēng)沙雨雪、酸堿、海水等的機(jī)械和化學(xué)侵蝕等,保護(hù)導(dǎo)彈內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)、傳感器等不被外界環(huán)境損傷。因此,要求紅外材料除具有高的紅外透光率、低的散射、雙折射、熱輻射等光學(xué)性能外,還要求材料必須具有良好的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、化學(xué)性能等。同時(shí),要求材料具有良好的加工性能,以便于各種幾何形狀的窗口和整流罩產(chǎn)品的光學(xué)加工。熱壓氟化鎂的紅外透過(guò)波段在0.7～9μm之間,其中在3～7μm波段,2mm厚樣片的紅外透過(guò)率已達(dá)80%;在3～5μm中波紅外波段,2mm厚樣片的紅外透過(guò)率可達(dá)90%以上,熱壓氟化鎂是現(xiàn)有紅外窗口和整流罩材料中自身透過(guò)率最高的。同時(shí),熱壓氟化鎂的折射率為1.3812±0.005(λ=0.5893μm),且折射率隨溫度的變化系數(shù)dn/dt僅為1.1×10-6K-1,在紅外窗口和整流罩材料中是最小的。此外,熱壓氟化鎂的吸收系數(shù)為1.4×10-2cm-1,也是紅外窗口和整流罩材料中除ZnSe外最小的。以上數(shù)據(jù)表明,熱壓氟化鎂的紅外光學(xué)性能優(yōu)良,是理想的中波紅外光學(xué)窗口和整流罩材料。熱壓氟化鎂的密度≥3.17g/cm3、努普硬度≥539kg/mm2、壓縮強(qiáng)度≥300MPa、彎曲強(qiáng)度≥100MPa、熱膨脹系數(shù)≤1.3×10-5K-1(25～300℃),具有良好的力學(xué)性能、熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性。它可以加熱到500℃,然后突然放到28℃的鋼板上而不破裂,也可以在十分潮濕的或有酸堿腐蝕氣氛的條件下工作而不影響紅外透過(guò)特性。在400℃的高溫下,其紅外透過(guò)性能仍幾乎和室溫時(shí)一致,變化不大。熱壓氟化鎂的介電常數(shù)為5.1,是現(xiàn)有紅外窗口和整流罩材料中最低的,其介電正切損耗在0.001左右,能夠滿足毫米波(微波)對(duì)天線罩材料的要求。國(guó)內(nèi)某單位測(cè)試結(jié)果表明,熱壓氟化鎂的微波透過(guò)率(功率傳輸系數(shù))在80%以上,基本滿足微波天線的使用要求,是比較理想的中波紅外/微波(毫米波)復(fù)合天線罩材料。4紅外制導(dǎo)武器的發(fā)展紅外制導(dǎo)由于具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、效費(fèi)比高、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn),已成為制導(dǎo)武器實(shí)現(xiàn)精確打擊能力的重要技術(shù)手段,在軍事上具有舉足輕重的地位,已廣泛用于空空導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈以及末制導(dǎo)炮彈和末制導(dǎo)子彈等。自20世紀(jì)60年代起,熱壓氟化鎂開(kāi)始用于以中波紅外制導(dǎo)的導(dǎo)彈以及飛機(jī)的紅外前視窗口、紅外吊艙、光電雷達(dá)等系統(tǒng)中。其中比較有代表性的紅外導(dǎo)彈如美國(guó)的“響尾蛇”導(dǎo)彈、俄羅斯的R-7導(dǎo)彈、法國(guó)的“西北風(fēng)”導(dǎo)彈、以色列的“怪蛇”導(dǎo)彈等。目前,國(guó)內(nèi)外紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈已發(fā)展到70多種,尤其是紅外空空導(dǎo)彈,生產(chǎn)量已超過(guò)18萬(wàn)枚,裝備使用的國(guó)家和地區(qū)有40多個(gè)。近年來(lái)隨著目標(biāo)隱身和反導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,使得抗干擾能力更強(qiáng)、目標(biāo)識(shí)別更為精準(zhǔn)的紅外成像制導(dǎo)技術(shù)迅速成長(zhǎng),紅外制導(dǎo)武器已由點(diǎn)源尋的制導(dǎo)向紅外成像制導(dǎo)發(fā)展,并由第一代的光機(jī)掃描成像制導(dǎo)向第二代的凝視焦平面陣列成像制導(dǎo)發(fā)展,而且在不斷提高智能化程度的同時(shí)更加注重高技術(shù)的融合,雙色紅外制導(dǎo)、紅外/毫米波(微波)、紅外/激光/毫米波(微波)等雙?；蚨嗄＞_制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展也令人矚目。以紅外/微波雙模制導(dǎo)為例,美國(guó)研發(fā)了裝有微波主動(dòng)雷達(dá)/紅外成像雙模導(dǎo)引頭的先進(jìn)導(dǎo)彈防區(qū)外空地導(dǎo)彈AGM-284E(SLAM)后,實(shí)施了一系列導(dǎo)彈尋的器改進(jìn)計(jì)劃,主要對(duì)“麻雀”(Sparrow)導(dǎo)彈、“標(biāo)準(zhǔn)”(Standard)導(dǎo)彈和“哈姆”(HARM)反輻射導(dǎo)彈加裝紅外成像尋的器,使它們具有紅外/微波雙模制導(dǎo)能力。紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展對(duì)紅外材料提出了更高的要求,不僅要求材料在相應(yīng)工作波段上具有盡可能高的透過(guò)率,而且還要求成型后的整流罩結(jié)構(gòu)均勻性和光學(xué)均勻性更高,以保證全方位、多角度的成像質(zhì)量。此外,紅外/毫米波(微波)、紅外/激光/毫米波(微波)等雙?；蚨嗄＞_制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展也需要制備尺寸更大、形狀更復(fù)雜的雙模或多模共孔徑制導(dǎo)整流罩,以滿足未來(lái)采用多種制導(dǎo)模式的精確打擊武器的不同需要。5高硬度、超高硬度材料在高超音速發(fā)射和使用方面的展望近幾年來(lái),伴隨著紅外制導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展,熱壓氟化鎂的研究與應(yīng)用也已取得重要進(jìn)展。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)隨著具有高分辨率、抗干擾能力強(qiáng)、能晝夜工作等諸多優(yōu)點(diǎn)的紅外成像制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)熱壓氟化鎂紅外窗口和整流罩的尺寸、光學(xué)性能要求越來(lái)越高,其中最主要表現(xiàn)為:(a)對(duì)紅外窗口和整流罩的尺寸要求越來(lái)越大,以增大窗口的可探測(cè)面積,進(jìn)一步提高武器的靈敏度和抗干擾能力;(b)對(duì)紅外窗口和整流罩的光學(xué)性能特別是光學(xué)均勻性要求越來(lái)越高,以保證全方位、多角度的成像質(zhì)量,提高武器的靈活性和工作效率。自20世紀(jì)70年代中后期開(kāi)始,美國(guó)多家研究機(jī)構(gòu)在提高熱壓氟化鎂材料的光學(xué)性能,特別是窗口和整流罩產(chǎn)品的光學(xué)均勻性方面進(jìn)行了大量研究,并在制備高品質(zhì)、大尺寸熱壓氟化鎂整流罩工藝技術(shù)上取得突破,已能制備各種幾何形狀的、最大尺寸達(dá)300mm以上的熱壓氟化鎂紅外窗口和整流罩產(chǎn)品,在超音速飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈和宇航飛行器的紅外系統(tǒng)中廣泛使用。國(guó)內(nèi),中材人工晶體研究院研制的熱壓氟化鎂紅外平板窗口產(chǎn)品最大規(guī)格已達(dá)Ф300mm×15mm、球冠形整流罩產(chǎn)品的最大規(guī)格已達(dá)Ф300mm×10mm,且產(chǎn)品的均勻性較之前有了較大提高,其折射率不均勻性達(dá)到了0.001(Δn=0.001)。(2)高超音速導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展,對(duì)紅外整流罩的機(jī)械強(qiáng)度等性能提出了更高的要求,高硬度甚至超高硬度的紅外材料成為研究的熱點(diǎn)。高硬度紅外材料包括鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)、氮氧化鋁(ALON)、藍(lán)寶石(Al2O3)等,主要用于飛行速度3～5馬赫的高速導(dǎo)彈,如藍(lán)寶石材料是美國(guó)第四代空空導(dǎo)彈的主要侯選整流罩材料。但這些材料的制備工藝條件苛刻,加工難度大,成本高,尤其大尺寸產(chǎn)品的制備工藝還有待穩(wěn)定。金剛石及其膜材料屬超高硬度材料,是未來(lái)超高音速導(dǎo)彈理想的紅外整流罩材料,目前離實(shí)用尚有不小的距離。隨著材料科學(xué)的發(fā)展特別是納米材料技術(shù)的廣泛使用,通常能賦予一些傳統(tǒng)材料新的生命。為此,美國(guó)國(guó)防部在2005年的高新企業(yè)創(chuàng)新研究發(fā)展計(jì)劃中(SBIR),規(guī)劃了納米級(jí)紅外整流罩的研制計(jì)劃,計(jì)劃通過(guò)對(duì)納米級(jí)氟化鎂多晶制備技術(shù)的研究,制備出晶粒不大于50nm、口徑175mm的全致密多晶氟化鎂整流罩,并將材料的硬度提高了2倍以上,使材料硬度接近目前高硬度的鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)、氮氧化鋁(ALON)、藍(lán)寶石(Al2O3)等材料。該計(jì)劃將極大地拓展熱壓氟化鎂材料的應(yīng)用空間,使其能用于Ma≥3的高速導(dǎo)彈中;(3)以共形整流罩為代表的高氣動(dòng)性能非球面整流罩已成為未來(lái)主要的發(fā)展方向之一。為減小導(dǎo)彈的氣動(dòng)阻力并獲得較好的隱身能力和目標(biāo)視場(chǎng),使用與機(jī)身或彈體形狀一致的共形整流罩正在成為以紅外空空導(dǎo)彈為代表的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)展的方向。共形整流罩的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在它除起到保護(hù)紅外光學(xué)系統(tǒng)、滿足紅外光學(xué)探測(cè)的需要外,它的外形更適合于空氣動(dòng)力學(xué)的要求,在很大程度上提高了導(dǎo)彈空氣動(dòng)力學(xué)性能。例如時(shí)速3馬赫的導(dǎo)彈,在采用長(zhǎng)徑比為1.5的共形結(jié)構(gòu)時(shí),整流罩給彈體帶來(lái)的阻力僅為球形結(jié)構(gòu)的一半,并且整流罩的空氣阻力系數(shù)隨著長(zhǎng)徑比的增大也逐漸降低。共形整流罩的另一個(gè)明顯的特點(diǎn)是它能夠獲得比球形結(jié)構(gòu)更大的無(wú)漸暈觀察視場(chǎng)。球形結(jié)構(gòu)由于邊緣的限制其觀察視場(chǎng)往往小于60°,而在共形結(jié)構(gòu)中由于頭罩內(nèi)表面和可旋轉(zhuǎn)的成像系統(tǒng)的軸向間距是可以自由調(diào)節(jié)的,很容易設(shè)計(jì)出觀察視場(chǎng)大于90°的整流罩。在共形整流罩研究開(kāi)發(fā)方面,由于熱壓氟化鎂的制備工藝較其它紅外材料易行,且材料的加工性能較好,成為國(guó)外研究最多并首先應(yīng)用的共形整流罩材料。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)1996年資助了“共形光學(xué)”研究發(fā)展項(xiàng)目。1999年10月世界上第一個(gè)共形光學(xué)系統(tǒng)研制成功,并成功應(yīng)用于紅外導(dǎo)彈導(dǎo)引頭。該導(dǎo)引頭采用了熱壓氟化鎂共形整流罩和共形紅外光學(xué)成像系統(tǒng),能清晰地顯示飛機(jī)起飛的機(jī)身輪廓和發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫氣流圖像。共形整流罩以及共形光學(xué)系統(tǒng)的提出和研制成功為紅外空空導(dǎo)彈發(fā)展指出了新的發(fā)展方向,但同時(shí)也為光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、共形整流罩的制備與光學(xué)加工等提出了新的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi),中材人工晶體研究院在多年熱壓氟化鎂研制生產(chǎn)的技術(shù)集成基礎(chǔ)上,跟蹤國(guó)外紅外材料發(fā)展的潮流,已在國(guó)內(nèi)率先試制出了長(zhǎng)徑比大于1的橢球體熱壓氟化鎂紅外整流罩。(4)隨著紅外/毫米波(微波)等雙模或多模精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,兼有紅外和毫米波(微波)透過(guò)特性的大尺寸異型整流罩(天線罩)已成為熱壓氟化鎂新的應(yīng)用領(lǐng)域。在未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中,采用非成像單一尋的制導(dǎo)方式的制導(dǎo)武器,已難以完成精確打擊的作戰(zhàn)使命,必須在發(fā)展成像尋的制導(dǎo)技術(shù)的同時(shí),大力發(fā)展雙模或多模復(fù)合尋的制導(dǎo)技術(shù),以便在充分利用現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)數(shù)據(jù)融合提高尋的裝置的智能化水平和精度,提高武器的精確打擊能力。紅外成像/毫米波(微波)雙模復(fù)合制導(dǎo)是當(dāng)前主要的復(fù)合形式,它結(jié)合了紅外成像和毫米波(微波)雷達(dá)制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn),使導(dǎo)彈具有全天時(shí)、全天候工作能力,抗多種電子干擾、光電干擾和反隱身目標(biāo)的能力,復(fù)雜環(huán)境下識(shí)別目標(biāo)能力,對(duì)目標(biāo)精確定位能力等,是復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。在紅外/毫米波(微波)雙模復(fù)合制導(dǎo)中,共孔徑探測(cè)是最佳選擇,因此兼具紅外窗口和毫米波(微波)天線罩雙重作用的導(dǎo)彈頭罩制造技術(shù)是紅外/毫米波(微波)雙模制導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為合理布局毫米波(微波)雷達(dá)和紅外成像探測(cè)器,紅外/毫米波(微波)雙模復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)彈頭罩多采用類似毫米波(微波)天線罩的頭罩方案,即由前端的球面體和隨后的橢圓體或弧體組成的大尺寸異型整流罩(天線罩)。該罩和傳統(tǒng)的紅外整流罩相比,屬于高陡度的大型制品,由于尺寸效應(yīng)將大大增加了整流罩成型、燒結(jié)的難度,這無(wú)疑是對(duì)傳統(tǒng)熱壓工藝的一次全面挑戰(zhàn),必須對(duì)整流罩的成型工藝、模具設(shè)計(jì)、熱壓設(shè)備等進(jìn)行全面的革新;(5)以熱壓氟化鎂共形整流罩為代表非球面整流罩的光學(xué)加工與檢測(cè)技術(shù)。傳統(tǒng)的紅外整流罩或窗口多采用球形或平板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其制造與光學(xué)加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,也較成熟。目前的熱壓氟化鎂整流罩均為半球形以下(D<R),整流罩成型、光學(xué)加工與檢測(cè)只要采用傳統(tǒng)工藝即可。而以共形整流罩為代表非球面整流罩的長(zhǎng)徑比通常大于1(D>2R),傳統(tǒng)的光學(xué)加工工藝與檢測(cè)手段已不可能完成。在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)資助的“共形光學(xué)”研究發(fā)展項(xiàng)目中,即采用單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)和決定性微研磨技術(shù)等超精密加工技術(shù)對(duì)熱壓氟化鎂共形整流罩的加工技術(shù)進(jìn)行了研究,并成功解決了共形整流罩的光學(xué)加工與檢測(cè)問(wèn)題。國(guó)內(nèi),已有多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了紅外光學(xué)材料的超精密加工技術(shù)研究。中材人工晶體研究院和國(guó)內(nèi)有關(guān)高校在熱壓氟化鎂、尖晶石透明陶瓷等紅外材料的超精密光學(xué)加工方面進(jìn)行了卓有成效的合作,已取得初步成果。6熱壓氟化鎂的應(yīng)用展望熱壓氟化鎂在國(guó)內(nèi)外的研究與應(yīng)用已近50年,目前它仍然是使用最為廣泛的中波紅外窗口和整流罩材料,這主要得益于其優(yōu)異的性價(jià)比。今后的工作應(yīng)在進(jìn)一步提高材料品質(zhì)與性能,特別是提高材料的機(jī)械性能等方面開(kāi)展研究,如在納米多晶氟化鎂制備技術(shù)上取得