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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

2024-04-30 120

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(duì)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(guó)內(nèi)外的研究成果。對(duì)未來(lái)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(guó)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)。
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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(huì)引入第二相材料,例如氧化鋁、氧化鋯制成復(fù)合材料。
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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(guò)程中存在體積收縮和玻璃相殘留等問(wèn)題。根據(jù)目前研究現(xiàn)狀來(lái)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。
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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(duì)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(wú)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。
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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(lái)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(wèn)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(wèn)題是氧化鋁纖維在燒結(jié)過(guò)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(wèn)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(lái)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(shì)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?lái)陶瓷透波材料的研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面:


(1)對(duì)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(duì)石英陶瓷材料裂紋、雜質(zhì)、氣孔等問(wèn)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(wèn)題。

(4)氧化鋁纖維在燒結(jié)過(guò)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(wèn)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(lái)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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