盤點|導彈用先進復材之陶瓷基篇

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20世紀80年代中期，美國發展空天飛機計劃，提出耐高溫和質量輕兩項要求。為此研製了多種新型高溫材料，包括先進的樹脂基複合材料、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料及碳／碳複合材料，陶瓷材料因具有優良的力學性能、熱學性能和電性能而成為導彈天線罩的首選材料。陶瓷基複合材料在導彈結構件中應用最多的也就是天線罩部位。

導彈天線罩

導彈天線罩位於導彈的最前端，其作用是保護導航天線不受損壞,使導彈能有效地命中目標,它既是導彈氣動外形的重要組成部分,又是天線的保護裝置,是導彈不可缺少的重要部件。導彈在飛行過程中，天線罩既要承受氣動加熱和機械過載，抵禦雨水、沙塵等惡劣工況的侵蝕，還要滿足導彈控制迴路所提出的苛刻的電氣性能的要求，因此，導彈天線罩材料需要具備以下性能：

（1） 優良的介電性能。在制導系統中,天線罩的傳輸效率和瞄準誤差十分敏感地依賴於材料的介電性能及其與溫度、頻率等的關係。因此要求材料具有低介電常數(ε<10)和介電損耗,而且介電性能不隨溫度和頻率產生明顯變化。

（2） 良好的耐熱性和抗熱衝擊性能。導彈的高馬赫數使天線罩的瞬時加熱速率高達120℃/s以上,因此,要求材料具有較好的抗熱衝擊性能,且升高溫度時要求材料分子結構穩定,材料特性(如介電性能、機械性能)變化小,以保證升高溫度時天線罩能正常工作。

（3） 高強度的結構性能。天線罩材料的強度要高，而且要具有一定的剛性，強度滿足導彈高速飛行時空氣動力縱向或橫向加速度引起的機械應力和彎曲力矩。

（4） 耐雨蝕性能。對衝擊角的設計允許值範圍和飛行器在雨蝕中的靈敏性起決定性的作用。

（5） 低的溫度敏感性。一般材料在高溫工作時，其介電特性和強度性能會發生明顯的變化，因此，天線罩材料的各項性能，尤其是介電性能和強度，受溫度變化的影響越小越好。

天線罩材料發展史

導彈天線罩材料的發展歷程可歸結為: 纖維增強塑料→氧化鋁陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→陶瓷基複合材料，並逐步向寬頻帶、多模與精確制導方向發展。

纖維增強塑料、氧化鋁陶瓷、微晶玻璃等一般只能適用于飛行速度小於５Ｍａ的導彈天線罩。石英陶瓷介電常數低、介電損耗低、膨脹係數小，且介電常數對頻率和溫度十分穩定，抗熱衝擊性能較好，成為目前高超音速（Ｍａ＞５）導彈唯一可用的天線罩材料。雖然石英陶瓷天線罩綜合性能優異，但是當導彈飛行速度大於6.5Ｍa時也難以滿足導彈天線罩穩定性和可靠性的高要求。而陶瓷基複合材料由於其優異的綜合性能引起了廣泛關注，成為各國研究、開發高超音速導彈天線罩材料的熱點。

20世紀50年代初，美國波音公司採用玻璃纖維增強塑料研製出Ma為3的主動尋的導彈的波馬克天線罩。最早用於天線罩的陶瓷材料是單一氧化鋁陶瓷，美國從20世紀50年代開始研究，並成功應用於麻雀Ⅲ、響尾蛇等導彈上，氧化鋁天線罩只適用於Ma＜3的導彈。隨後，20世紀60年代，美國康寧公司開發出了TiO2為 晶核劑的 Mg-Al-Si系，牌號為9606的微晶玻璃（PyrOceram9606),該材料具有較好的介電性能、強度高和抗熱衝擊性能好，如小獵犬、百舌鳥、Typhon、GarK等導彈均選用該材料作天線罩，廣泛替代了氧化鋁陶瓷，用於Ma為3~4的導彈天線罩；我國在20世紀70年代，由中科院硅酸鹽研究所研製出3-3微晶玻璃，除介電損耗稍高於9606，其他性能與9606非常相似，是國內第一種高溫天線罩材料。

熔融石英陶瓷是美國麻省理工學院 20 世紀60 年代研製出的一種材料。石英陶瓷因具有優良的耐熱衝擊和介電性能以及介電性能隨溫度變化小等優點,成為第三代也是目前應用最廣泛的陶瓷導彈天線罩材料。 20世紀70年代，國外已大規模將石英陶瓷應用於多種型號導彈上，如美國的「愛國者」D型、「潘興II」、俄羅斯的「S300"、意大的「A8paid」導彈上。國內石英陶瓷材料在80年代中期開始在天線罩領域應用研究，目前,已廣泛應用在空空、地空、艦空等導彈上,如「 XX-11」、"XX-12」「XX-6」、「XX-9」系列導彈。石英陶瓷最大的缺點在於力學性能不佳及脆性大，為了保持石英陶瓷材料優良的介電性能、耐熱性又提高石英陶瓷的強度，國內外研究學者研發了一系列纖維/顆粒增強石英陶瓷材料用於導彈天線罩，增強顆粒有Si4N3、BN、Al2O3莫來石等，增強纖維有SiO2纖維。除此之外，還有對石英成型工藝的研究，泥漿澆注熔石英材料是極少數幾種適用於製作5馬赫數以上雷達天線罩以及導向緣材料之一。該工藝允許成型大而形狀複雜的製品,且材料性能分布均勻，各向同性。與其他陶瓷材料成型工藝相比，成本低，效率高，易工程化，已廣泛應用於國內外第三代，第四代導彈天線罩上。

雖然石英陶瓷天線罩綜合性能優異，但是當導彈飛行速度大於6.5Ｍａ時也難以滿足導彈天線罩穩定性和可靠性的高要求。而陶瓷基複合材料由於其優異的綜合性能引起了廣泛關注，成為各國研究、開發高超音速導彈天線罩材料的熱點。

陶瓷基導彈天線罩

陶瓷基導彈天線罩材料主要包括氮化硅基、氧化硅基、磷酸鹽基材料。氮化硅基陶瓷不僅具有優異的力學性能和很高的熱穩定性，而且具有較低的介電常數，其分解溫度為1900℃，其抗燒蝕性能比熔融石英好，能經受6～7Ma飛行條件下的熱振。氮化硅基陶瓷複合材料天線罩是各國研究的主要目標之一，被美國喬治亞技術研究所的試驗鑒定為最有希望的天線罩材料。研究者除繼續改進反應燒結氮化硅、熱壓燒結氮化硅、氣壓燒結氮化硅、無壓燒結氮化硅的製備技術外，在開發新型氮化硅的製備工藝技術上也進行了大量研究。但到目前為止，有關氮化硅基陶瓷作為導彈天線罩的還處於研究階段。

氧化硅基材料

中程導彈天線罩由於導彈飛行馬赫數高且加熱時間相對較長，採用單一的石英陶瓷材料不能滿足熱應力的承載要求。為發展飛行速度５Ｍａ以上的防空導彈，國內採用石英陶瓷天線罩製造技術研製出增強型石英陶瓷天線罩，目前已應用於某型號高速防空導彈。為滿足中、遠程地-地戰術和戰略導彈天線罩的需求，國內先後研製和發展了石英玻璃、高硅氧穿刺織物和正交三向石英織物增強二氧化硅基複合材料，並成功應用。

磷酸鹽基材料

磷酸鹽基複合材料是俄羅斯具有特色的透波材料，由布塊或織物通過磷酸鹽溶液浸漬後加壓固化而得。複合固化後的磷酸鉻（1200℃以下）及磷酸鉻鋁基複合材料（1200～1500℃）的力學性能、物理性能保持良好，電性能穩定。磷酸鋁在1500～1800℃具有穩定的性能。目前，這類材料在巡航導彈、反導型、戰術型導彈及太空梭上獲得了應用。磷酸鹽的最大缺點是吸濕性很強，需要在複合材料表面塗覆有機塗層進行防潮處理。

SIC陶瓷基複合材料

SiC陶瓷基複合材料具有低密度、耐高溫、抗燒蝕、抗沖刷和抗氧化等一系列優異的性能，在航空航天領域具有廣泛的應用前景。從20世紀80年代末開始，歐美國家已研製成功一系列C/SIC、SIC/SIC陶瓷基複合材料，可應用於導彈的再入鼻錐、機翼前端等防熱結構。

根據日本宇部新產公司披露數據，SiC陶瓷具有：高級別碳化硅纖維在1800攝氏度仍然可以正常工作，密度僅為高溫合金的1/3兩大絕對優勢。全球幾家企業可以進行SiC陶瓷量產，產能在10噸-50噸/年不等。國內陶瓷基複合材料經過十幾年的發展，正處在從研發到應用的階段，一旦技術成熟，有望加速我們高端裝備行業的發展進程。

本文由【材料+】原創，【e測試】編輯整理推送，如需轉載請聯繫fangl@van-research.cn

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