导弹天线罩用陶瓷材料研究进展
摘要：天线罩是导弹前端的重要组成部件，对材料体系的要求极为严格，陶瓷材料因其优异的性能成为国内外研究的热点。本文从天线罩材料应具备的基本性能入手，简要介绍了天线罩用陶瓷材料的研究进展和现状，并对主要材料体系的性能和研究热点进行了综述。
1 引 言
天线罩是制导武器弹头上一种集承载、透波、防热、耐蚀、导流等多功能于一体的结构／功能部件，可保护导弹在恶劣环境条件下进行通讯、遥测、制导、引爆等工作。材料体系的研究是天线罩技术发展的基础和技术保证，对天线罩技术的发展起着非常重要的作用，随着现代导弹性能的不断提高，对导弹天线罩材料的研究与改进就显得愈加重要和迫切。
天线罩材料需要满足导弹气动外形、热载荷、机械载荷、电气性能及恶劣环境等多方面的要求，因此限制了天线罩材料的设计和选择种类。陶瓷材料因具有较高的力学性能、适宜的介电性能及较好的耐热性能而成为天线罩的选材料之一。
本文就天线罩用陶瓷材料应具备的基本性能、国内外发展状况和材料体系进行了综述。
2 天线罩材料应具备的基本性能
天线罩的性能依赖于所选择的材料，天线罩材料应具备以下特性：
①介电常数(小于10)和介电损耗（小于0.01)低，介电性能不随温度和频率产生明显变化，高温工作状态下性能稳定，以保证在气动加热条件下尽可能不失真地透过电磁波；此外低介电常数的材料还能给天线罩带来宽频带响应，允许放宽壁厚公差，降低制造成本；
②良好的常温和高温力学性能，使飞行中的天线罩能承受导弹的气动加热、加载条件，满足一定载荷条件下的强度和刚度要求并保持结构完整；
③低的膨胀系数和高的弹性模量，抗热震性能优异，以免在大的温升速度和高温差下失效；
④耐冲刷、耐雨蚀能力强，抗粒子云侵蚀，以保证导弹在雨水冲刷和辐射等环境下的战斗力，具备全天候工作的能力；
⑤良好的工艺性、可加工性和经济性。
3 天线罩用陶瓷材料的国内外研究状况
为满足导弹天线罩的需求，天线罩材料经过了纤维增强塑料、氧化铝陶瓷、微晶玻璃、石英陶瓷、氮化硅陶瓷到天线罩复合材料的发展历程。
3.1 国外研究进程
氧化铝陶瓷是种商业化高温天线罩材料，之后为改善其抗热震性能国外进行了氮化硼改性氧化铝陶瓷的研究。20世纪50年代后期，美国开发出TiO2为晶核剂的微晶玻璃体系，广泛代替氧化铝陶瓷，用于马赫数3~4的导弹天线罩。60年代开始，美国着手研究磷酸盐高温天线罩材料，之后德国、前苏联等均在该领域不断深入探索，得到了性能较好的磷酸盐基复合材料。俄罗斯在磷酸盐基复合材料领域的研究已有几十年的历史，对各种磷酸盐，的结构、性能及工艺有较全面的了解。[-page-]
50年代末期，美国研制了泥浆浇注熔融石英材料，70年代以后被广泛应用于多种型号导弹上，如美国的“爱国者”防空导弹和意大利“阿斯派特’得弹，二者都是半波长壁厚结构。为克服石英陶瓷力学和抗侵蚀能力差的缺点，从70年代开始，美国开始研制不同结构三维多向石英或氮化硼织物增强二氧化硅基复合材料。同时，美国航空实验室研制开发了用于制作天线罩的熔融石英纤维增强氧化硅材料，具有比粉浆浇注熔融石英更好的抗冲击性能和更高的弯曲应变能力。俄罗斯在几种中程精确制导导弹中采用复合材料天线罩或复相陶瓷。
从20世纪70年，代起以氮化硅为基体组成的陶瓷基复合材料天线罩的研究得到了重视，法国已成功采用氮化硅／氮化硼复合材料制备天线罩；俄罗斯采用氮化物基复合材料制备出了天线罩，现已达到实用化水平。目前研究氮化硅材料体系较多的是通过设计天线罩的结构使天线罩能在微波或毫米波段范围实现更宽频带的高透波要求。
3.2 国内研究现状
我国在天线罩材料和制备工艺的研究开始于20世纪70年代末期，经验较少，但也取得了一定进展，已能独立自主地设计和制造包括导弹天线罩在内的各类天线罩。国内先后研制了石英玻璃材料、高硅氧穿刺织物和正交三向石英织物增强二氧化硅基复合材料，已经获得应用。目前研究重点主要放在二氧化硅、氮化硼、氮化硅陶瓷体系上，同时对陶瓷基复合材料的组分、结构设计和制备工艺进行不断探索。连续纤维增强陶瓷基复合材料能够有效克服脆性陶瓷基体对裂纹和热冲击的敏感性，成为近年来的研究热点。
目前国内不同天线罩材料体系的发展很不平衡，需要不断学习国外先进导弹天线罩的生产经验，促进工艺技术的不断改进，使新型陶瓷材料在导弹天线罩上获得广泛应用。
4 天线罩用陶瓷材料体系
在天线罩用陶瓷材料体系方面，目前主要集中准以下几种：氧化铝体系、微晶玻璃体系、磷酸盐体系、二氧化硅体系、氮化物体系。
4.1 氧化铝体系
氧化铝是早应用于天线罩的单一氧化物陶瓷，强度高、硬度大、不存在雨蚀问题，但抗热冲击性能差，介电常数高并随温度变化过大，对天线罩壁厚公差要求很严。氧化铝陶瓷只适用于马赫数＜3的导弹，马赫数在3以上时，气动加热将引起天线罩“热炸”问题。此外氧化铝可以作为其它天线罩陶瓷材料的烧结助剂使用，是目前研究多的烧结助剂材料之一。目前氮化硼改性氧化铝复相陶瓷的研究取得了良好，弥散的氮化硼颗粒显著改善了氧化铝陶瓷的脆性，获得了较好的抗热冲击性能。
4.2 微晶玻璃体系
微晶玻璃是美国康宁公司为配合美国海军“小猎犬”导弹计划，于上世纪50年代中期发明的一种新型无机材料，具有高强度和高耐热性、介电常数和损耗角正切低、膨胀系数低、介电常数随温度和频率的改变变化小等优点，但其工艺较复杂，成型和晶化处理工艺难以控制。 [-page-]
微晶玻璃材料天线罩曾广泛应用于马赫数为4及4以下的场合，但材料高温稳定性的限制使其不能承受超高音速飞行时的热冲击。为进一步提高微晶玻璃的抗热冲击性能，相关人员进行了大量的改性工作。
4.3 磷酸盐体系
应用于航天透波领域的磷酸盐复合材料主要是硅质纤维增强硫酸铝、磷酸铬及磷酸铬铝复合材料，一般为布块或织物经磷酸盐溶液浸渍后加压固化而得。磷酸铬、磷酸铝和磷酸铬铝复合材料分别在1200℃、1500℃、1500~1800℃条件下具有稳定的力学性能。英国电气公司研制出以磷酸盐为晶核的玻璃-陶瓷天线罩材料，具有很好的力学性能、耐热性能和介电性能。
4.4 二氧化硅体系
二氧化硅材料主要指石英玻璃、石英陶瓷材料与石英纤维织物增强二氧化硅基复合材料，它的介电常数和介电损耗小、热膨胀系数极低、化学稳定性好、熔点较高。
高纯二氧化硅材料密度低、热膨胀系数小、介电性能和抗热冲击性能优良，高温融化后的熔融态因豁度大而不易被气流冲刷流失。石英陶瓷是采用泥浆浇铸和烧结等制造工艺方法所制得的不透明陶瓷质材料，适用于马赫数3~5的导弹天线罩，能满足再入环境条件下的热绝缘和抗热冲击特性要求以及雷达透明性要求。
石英陶瓷具有突出的抗热冲击性能、低介电常数和低损耗角正切、低膨胀系数，介电常数对频率与温度十分稳定，制造工艺成熟，成本适中等优点，但也存在一些缺陷，主要是：①室温强度相对较低，对于高速大过载导弹天线罩的应用极为不利；②含10%左右的气孔，易吸潮，引起天线罩电性能的降低；③抗雨蚀能力和耐高温能力差，必须采用防护措施。
为改善石英陶瓷的性能，纤维增强技术的研究得到较多关注。可以加入的增强纤维材料有三向石英纤维编织体或石英玻璃短纤维、硼硅酸铝纤维、氮化硼纤维等。一般来说，高马赫数短时间飞行可采用硅质纤维增强二氧化硅基复合材料、含除碳剂的硅树脂基复合材料或复相陶瓷。经纤维增强后的石英陶瓷材料天线罩在电性能方面不会受到影响，材料的介电性能稳定．且强度比原来提高14%左右。
4.5氮化物体系
氮化物陶瓷复合材料具有优良的高温热学、力学、电学性能，制备成本低，它的应用是扩大航天透波材料领域的必然趋势。氮化硅和氮化硼是针对更高马赫数导弹天线罩的主要的候选材料。
氮化硅陶瓷材料具有非常好的力学性能、较低的介电常数、较高的抗雨蚀和抗热冲击性能，可缓解石英陶瓷强度低、雨蚀性差的问题，这些优异的性能使得氮化硅陶瓷成为天线罩的优选材料，主要工作于马赫数不超过6的范围内。[-page-]
常用的制备氮化硅陶瓷的方法有反应烧结、常压烧结、热压烧结、气压烧结、等离子放电烧结、热等静压烧结。人们将研究集中在两种氮化硅材料中：①反应烧结氮化硅，硅和氮在反应时通过火焰喷射将硅粉熔融形成坯件；②热压氮化硅，硅和氮反应生成的粉状物经热压形成坯件。反应烧结氮化硅比热压氮化硅密度低，具有低的介电常数，更适合于在高速导弹上应用。无论采用哪种烧结方式，陶瓷材料的脆性始终限制它的应用，目前常用柱状β-SiN自增韧、颗粒增韧和纤维或晶须增韧等方式使其性能得以改进，一般情况下，纤维的增韧效果比较好。
氮化硼陶瓷材料具有极高的升华热、优良的介电性能、突出的热震性和低的密度，但抗雨蚀能力差，且由于工艺问题难以制成较大形状坯件。采用氮化硅和氮化硼制备的复合材料有更稳定的热物理性能，较低的介电常数以及优良的力学性能，能够承载高马赫飞行条件下对天线罩材料的防热、承载要求，改善氮化硅和氮化硼单独作为天线罩材料的不足。
氮化硅、石英和氮化硼的复合体系作为陶瓷天线罩材料的研究和应用．是扩大航天诱波材料领域的必然趋势，有重大的研究价值和市场前景。
5 发展前景
从天线罩结构考虑，进行结构设计与制备的研究，制备宽频带高透波率导弹天线罩是今后的发展方向。新型陶瓷天线罩材料可满足先进导弹高马赫数飞行的使用要求，具有工作温度高、高温烧蚀率低、性能稳定、不吸水、不吸潮、强度高等特点。我国总体技术水平与国际水平仍存在差距，需要大力加强基础研究．开展低成本高性能的均相陶瓷基复合材料的研究。
熔融石英陶瓷及三维编织增强石英陶瓷在目前受到广泛关注。随着工艺技术的不断改进，氮化硅及其复合材料在高速导弹天线罩上的应用会越来越广泛。关于材料体系的研究工作大多集中在高性能增强纤维开发、新型制备工艺与复合材料设计、性能研究等方面。
1 引 言
天线罩是制导武器弹头上一种集承载、透波、防热、耐蚀、导流等多功能于一体的结构／功能部件，可保护导弹在恶劣环境条件下进行通讯、遥测、制导、引爆等工作。材料体系的研究是天线罩技术发展的基础和技术保证，对天线罩技术的发展起着非常重要的作用，随着现代导弹性能的不断提高，对导弹天线罩材料的研究与改进就显得愈加重要和迫切。
天线罩材料需要满足导弹气动外形、热载荷、机械载荷、电气性能及恶劣环境等多方面的要求，因此限制了天线罩材料的设计和选择种类。陶瓷材料因具有较高的力学性能、适宜的介电性能及较好的耐热性能而成为天线罩的选材料之一。
本文就天线罩用陶瓷材料应具备的基本性能、国内外发展状况和材料体系进行了综述。
2 天线罩材料应具备的基本性能
天线罩的性能依赖于所选择的材料，天线罩材料应具备以下特性：
①介电常数(小于10)和介电损耗（小于0.01)低，介电性能不随温度和频率产生明显变化，高温工作状态下性能稳定，以保证在气动加热条件下尽可能不失真地透过电磁波；此外低介电常数的材料还能给天线罩带来宽频带响应，允许放宽壁厚公差，降低制造成本；
②良好的常温和高温力学性能，使飞行中的天线罩能承受导弹的气动加热、加载条件，满足一定载荷条件下的强度和刚度要求并保持结构完整；
③低的膨胀系数和高的弹性模量，抗热震性能优异，以免在大的温升速度和高温差下失效；
④耐冲刷、耐雨蚀能力强，抗粒子云侵蚀，以保证导弹在雨水冲刷和辐射等环境下的战斗力，具备全天候工作的能力；
⑤良好的工艺性、可加工性和经济性。
3 天线罩用陶瓷材料的国内外研究状况
为满足导弹天线罩的需求，天线罩材料经过了纤维增强塑料、氧化铝陶瓷、微晶玻璃、石英陶瓷、氮化硅陶瓷到天线罩复合材料的发展历程。
3.1 国外研究进程
氧化铝陶瓷是种商业化高温天线罩材料，之后为改善其抗热震性能国外进行了氮化硼改性氧化铝陶瓷的研究。20世纪50年代后期，美国开发出TiO2为晶核剂的微晶玻璃体系，广泛代替氧化铝陶瓷，用于马赫数3~4的导弹天线罩。60年代开始，美国着手研究磷酸盐高温天线罩材料，之后德国、前苏联等均在该领域不断深入探索，得到了性能较好的磷酸盐基复合材料。俄罗斯在磷酸盐基复合材料领域的研究已有几十年的历史，对各种磷酸盐，的结构、性能及工艺有较全面的了解。[-page-]
50年代末期，美国研制了泥浆浇注熔融石英材料，70年代以后被广泛应用于多种型号导弹上，如美国的“爱国者”防空导弹和意大利“阿斯派特’得弹，二者都是半波长壁厚结构。为克服石英陶瓷力学和抗侵蚀能力差的缺点，从70年代开始，美国开始研制不同结构三维多向石英或氮化硼织物增强二氧化硅基复合材料。同时，美国航空实验室研制开发了用于制作天线罩的熔融石英纤维增强氧化硅材料，具有比粉浆浇注熔融石英更好的抗冲击性能和更高的弯曲应变能力。俄罗斯在几种中程精确制导导弹中采用复合材料天线罩或复相陶瓷。
从20世纪70年，代起以氮化硅为基体组成的陶瓷基复合材料天线罩的研究得到了重视，法国已成功采用氮化硅／氮化硼复合材料制备天线罩；俄罗斯采用氮化物基复合材料制备出了天线罩，现已达到实用化水平。目前研究氮化硅材料体系较多的是通过设计天线罩的结构使天线罩能在微波或毫米波段范围实现更宽频带的高透波要求。
3.2 国内研究现状
我国在天线罩材料和制备工艺的研究开始于20世纪70年代末期，经验较少，但也取得了一定进展，已能独立自主地设计和制造包括导弹天线罩在内的各类天线罩。国内先后研制了石英玻璃材料、高硅氧穿刺织物和正交三向石英织物增强二氧化硅基复合材料，已经获得应用。目前研究重点主要放在二氧化硅、氮化硼、氮化硅陶瓷体系上，同时对陶瓷基复合材料的组分、结构设计和制备工艺进行不断探索。连续纤维增强陶瓷基复合材料能够有效克服脆性陶瓷基体对裂纹和热冲击的敏感性，成为近年来的研究热点。
目前国内不同天线罩材料体系的发展很不平衡，需要不断学习国外先进导弹天线罩的生产经验，促进工艺技术的不断改进，使新型陶瓷材料在导弹天线罩上获得广泛应用。
4 天线罩用陶瓷材料体系
在天线罩用陶瓷材料体系方面，目前主要集中准以下几种：氧化铝体系、微晶玻璃体系、磷酸盐体系、二氧化硅体系、氮化物体系。
4.1 氧化铝体系
氧化铝是早应用于天线罩的单一氧化物陶瓷，强度高、硬度大、不存在雨蚀问题，但抗热冲击性能差，介电常数高并随温度变化过大，对天线罩壁厚公差要求很严。氧化铝陶瓷只适用于马赫数＜3的导弹，马赫数在3以上时，气动加热将引起天线罩“热炸”问题。此外氧化铝可以作为其它天线罩陶瓷材料的烧结助剂使用，是目前研究多的烧结助剂材料之一。目前氮化硼改性氧化铝复相陶瓷的研究取得了良好，弥散的氮化硼颗粒显著改善了氧化铝陶瓷的脆性，获得了较好的抗热冲击性能。
4.2 微晶玻璃体系
微晶玻璃是美国康宁公司为配合美国海军“小猎犬”导弹计划，于上世纪50年代中期发明的一种新型无机材料，具有高强度和高耐热性、介电常数和损耗角正切低、膨胀系数低、介电常数随温度和频率的改变变化小等优点，但其工艺较复杂，成型和晶化处理工艺难以控制。 [-page-]
微晶玻璃材料天线罩曾广泛应用于马赫数为4及4以下的场合，但材料高温稳定性的限制使其不能承受超高音速飞行时的热冲击。为进一步提高微晶玻璃的抗热冲击性能，相关人员进行了大量的改性工作。
4.3 磷酸盐体系
应用于航天透波领域的磷酸盐复合材料主要是硅质纤维增强硫酸铝、磷酸铬及磷酸铬铝复合材料，一般为布块或织物经磷酸盐溶液浸渍后加压固化而得。磷酸铬、磷酸铝和磷酸铬铝复合材料分别在1200℃、1500℃、1500~1800℃条件下具有稳定的力学性能。英国电气公司研制出以磷酸盐为晶核的玻璃-陶瓷天线罩材料，具有很好的力学性能、耐热性能和介电性能。
4.4 二氧化硅体系
二氧化硅材料主要指石英玻璃、石英陶瓷材料与石英纤维织物增强二氧化硅基复合材料，它的介电常数和介电损耗小、热膨胀系数极低、化学稳定性好、熔点较高。
高纯二氧化硅材料密度低、热膨胀系数小、介电性能和抗热冲击性能优良，高温融化后的熔融态因豁度大而不易被气流冲刷流失。石英陶瓷是采用泥浆浇铸和烧结等制造工艺方法所制得的不透明陶瓷质材料，适用于马赫数3~5的导弹天线罩，能满足再入环境条件下的热绝缘和抗热冲击特性要求以及雷达透明性要求。
石英陶瓷具有突出的抗热冲击性能、低介电常数和低损耗角正切、低膨胀系数，介电常数对频率与温度十分稳定，制造工艺成熟，成本适中等优点，但也存在一些缺陷，主要是：①室温强度相对较低，对于高速大过载导弹天线罩的应用极为不利；②含10%左右的气孔，易吸潮，引起天线罩电性能的降低；③抗雨蚀能力和耐高温能力差，必须采用防护措施。
为改善石英陶瓷的性能，纤维增强技术的研究得到较多关注。可以加入的增强纤维材料有三向石英纤维编织体或石英玻璃短纤维、硼硅酸铝纤维、氮化硼纤维等。一般来说，高马赫数短时间飞行可采用硅质纤维增强二氧化硅基复合材料、含除碳剂的硅树脂基复合材料或复相陶瓷。经纤维增强后的石英陶瓷材料天线罩在电性能方面不会受到影响，材料的介电性能稳定．且强度比原来提高14%左右。
4.5氮化物体系
氮化物陶瓷复合材料具有优良的高温热学、力学、电学性能，制备成本低，它的应用是扩大航天透波材料领域的必然趋势。氮化硅和氮化硼是针对更高马赫数导弹天线罩的主要的候选材料。
氮化硅陶瓷材料具有非常好的力学性能、较低的介电常数、较高的抗雨蚀和抗热冲击性能，可缓解石英陶瓷强度低、雨蚀性差的问题，这些优异的性能使得氮化硅陶瓷成为天线罩的优选材料，主要工作于马赫数不超过6的范围内。[-page-]
常用的制备氮化硅陶瓷的方法有反应烧结、常压烧结、热压烧结、气压烧结、等离子放电烧结、热等静压烧结。人们将研究集中在两种氮化硅材料中：①反应烧结氮化硅，硅和氮在反应时通过火焰喷射将硅粉熔融形成坯件；②热压氮化硅，硅和氮反应生成的粉状物经热压形成坯件。反应烧结氮化硅比热压氮化硅密度低，具有低的介电常数，更适合于在高速导弹上应用。无论采用哪种烧结方式，陶瓷材料的脆性始终限制它的应用，目前常用柱状β-SiN自增韧、颗粒增韧和纤维或晶须增韧等方式使其性能得以改进，一般情况下，纤维的增韧效果比较好。
氮化硼陶瓷材料具有极高的升华热、优良的介电性能、突出的热震性和低的密度，但抗雨蚀能力差，且由于工艺问题难以制成较大形状坯件。采用氮化硅和氮化硼制备的复合材料有更稳定的热物理性能，较低的介电常数以及优良的力学性能，能够承载高马赫飞行条件下对天线罩材料的防热、承载要求，改善氮化硅和氮化硼单独作为天线罩材料的不足。
氮化硅、石英和氮化硼的复合体系作为陶瓷天线罩材料的研究和应用．是扩大航天诱波材料领域的必然趋势，有重大的研究价值和市场前景。
5 发展前景
从天线罩结构考虑，进行结构设计与制备的研究，制备宽频带高透波率导弹天线罩是今后的发展方向。新型陶瓷天线罩材料可满足先进导弹高马赫数飞行的使用要求，具有工作温度高、高温烧蚀率低、性能稳定、不吸水、不吸潮、强度高等特点。我国总体技术水平与国际水平仍存在差距，需要大力加强基础研究．开展低成本高性能的均相陶瓷基复合材料的研究。
熔融石英陶瓷及三维编织增强石英陶瓷在目前受到广泛关注。随着工艺技术的不断改进，氮化硅及其复合材料在高速导弹天线罩上的应用会越来越广泛。关于材料体系的研究工作大多集中在高性能增强纤维开发、新型制备工艺与复合材料设计、性能研究等方面。
