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        【專題綜述】透波材料及纖維增強透波復合材料的研究進展

        2024-04-30 71

        陶瓷透波材料因力學性能優異、介電性能出色、高溫抗氧化性良好,耐腐蝕、抗燒蝕,是高溫透波領域的主要選擇材料。但隨著高馬赫數飛行器的快速發展,對天線罩(窗)用透波材料的綜合性能提出了更高的要求。在此情形下,纖維增強透波復合材料便脫穎而出,受到研究者的廣泛關注。本文主要介紹石英陶瓷透波材料、氮化硅陶瓷透波材料、氧化硅纖維增強透波復合材料、氧化鋁纖維增強透波復合材料、氮化硅纖維增強透波復合材料綜合性能以及國內外的研究成果。對未來陶瓷透波材料的發展和研究方向進行了總結。


        一、陶瓷透波材料
        隨著我國科研水平的進步和航天事業的發展,透波陶瓷材料是高馬赫數飛行器天線罩(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域的應用最為廣泛,也是當下的研究熱點。
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        1、石英陶瓷透波材料
        石英陶瓷熱膨脹系數較低、熔點較高、介電性能良好、化學穩定性優異、抗熱沖擊性能和抗熱震性能突出。但石英陶瓷的力學性能較差、抗彎強度較低,不能滿足當前天線罩(窗)用透波材料的要求。所以在實際應用中通常會引入第二相材料,例如氧化鋁、氧化鋯制成復合材料。
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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、優異的高溫性能,良好的透波性、導熱性,耐腐蝕、耐磨損等,而被用于制造天線罩、天線窗。同時氮化硅屬于原子晶體,原子結合的能力很強,是一種重要的結構陶瓷材料。但作為共價化合物,氮化硅陶瓷燒結困難,且在燒結過程中存在體積收縮和玻璃相殘留等問題。根據目前研究現狀來看,想要在航空航天領域大力發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低成本焊料和焊接工藝上進一步研究。
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        二、纖維增強透波復合材料
        隨著高馬赫數飛行器的快速發展,對天線罩(窗)用透波材料在力學性能、介電性能等綜合性能提出了更高的要求,以適應高熱力狀態下的飛行環境,陶瓷透波材料已無法滿足輻射、沙蝕、雨水沖蝕、高溫、高荷載等惡劣極端環境下的應用需求。因此,纖維增強透波復合材料在原材料的基礎上以更優異的性能,受到研究者的廣泛關注,陶瓷纖維也成為熱點話題。
        陶瓷纖維是一種新型耐高溫材料,避免了傳統陶瓷材料本身脆性大的缺點。且具有耐高溫抗氧化性、耐化學腐蝕性、力學性能優異、比模量高和密度低等優點。以上特點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度,是航空航天領域優異的候選材料。
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        1、氧化硅纖維增強透波復合材料
        氧化硅纖維陶瓷作為一種新型超硬復合材料,憑借優良的力學性能和介電性能,是目前天線罩(窗)所用的出色的透波材料。但根據研究現狀來看,氧化硅纖維增強透波復合材料仍存在高溫條件下力學性能不穩定、強度較低等問題。
        2、氧化鋁纖維增強透波復合材料
        氧化鋁纖維具有強度高、耐高溫、耐侵蝕等優點,被人們認為是航空航天領域最有前景的高溫材料之一。溶膠-凝膠法是當前找到的最佳制備氧化鋁纖維的方法,但現存的主要問題是氧化鋁纖維在燒結過程中,存在晶粒尺寸不易把握、晶相轉變時間和溫度難以控制的問題。
        3、氮化硅纖維增強透波復合材料
        氮化硅纖維介電性能良好,耐高溫抗氧化性能突出,力學性能優異,耐熱震性能和耐化學腐蝕性能出色,熱膨脹系數低,是制備高馬赫導彈天線罩(窗)的理想材料。
        三、未來發展與展望
        陶瓷透波材料和纖維增強透波復合材料在航空航天領域存在巨大優勢的同時也有需要加強改進的地方,研究者應充分發揮它們的發展潛力。未來陶瓷透波材料的研究應集中在以下幾個方面:


        (1)對大尺寸石英陶瓷天線罩制備技術與應用研究是下一步研究方向,同時對石英陶瓷材料裂紋、雜質、氣孔等問題的研究也要進一步深入。

        (2)氮化硅陶瓷需在制備耐高溫、抗氧化焊料以及開發低成本焊料和焊接工藝上進一步研究。

        (3)現有氧化硅纖維增強氧化硅基復合材料還需要解決高溫條件下力學性能不穩定、強度較低等問題。

        (4)氧化鋁纖維在燒結過程中,晶粒尺寸不易把握以及晶相轉變時間和溫度難以控制的問題是后續研究的重點和難點。

        (5)提升氮化硅纖維增強的陶瓷基復合材料的力學性能是未來要持續研究的方向。


        參考文獻:

        [1]林道晴,張琪凱,侯振華,等.透波材料及纖維增強透波復合材料的研究進展[J/OL].現代化工:1-6[2024-04-22].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2172.TQ.20240402.1110.004.html.



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