石英纤维在机用雷达天线罩上的应用介绍

雷达和天线是一组黄金搭档，前者研究主要可以用来辐射和接收电磁波并决定其探测发展方向；后者则是一种用于企业完成波导场和空间环境辐射场的相互之间转换。不过对于许多问题情况下使用它们会“躲”在一个球下，而这个球形状的物体，就是天线罩。

天线罩是什么？

天线罩是一种保护天线系统不受外部环境影响的结构，在电性能上具有良好的电磁波穿透性，在机械性能上能够承受外界恶劣环境的作用。 地面大型天线的天线罩可以减小风阻，避免冰雪堆积，通常为球形壳体，而机载和弹载平台为了减小空气阻力，必须采用锥形天线罩。

为了制造天线罩，透波材料是必不可少的。对于天线罩，透波材料必须具备以下特性:

①高温介电性能稳定。天线罩透波材料不仅要有较低的介电常数(ε<10)和损耗角正切(tanδ<10-2)，而且其介电性能不随温度和频率发生明显变化(如温度上升100℃，ε变化1%)，以保证在气动加热的条件下尽可能不失真地发射电磁波。

②低的热胀系数，以利于提高抗热能力冲击和满足壁厚公差；

3耐腐蚀性。具有防止雨水侵蚀和颗粒云侵蚀的能力

4具有足够的力学性能，保证天线罩在飞行过程中不会因气动纵向和横向加速度引起的机械应力而损坏;

⑤低的材料密度；

⑥低电导率要求介质材料的电导率σ为10-20～10-10S/m.

一般来说，材料的介电常数越低，介质损耗愈小，罩壁愈薄，被吸收的能量愈少，功率透过系数就愈大。

目前除玻璃纤维增强树脂材料被广泛应用于研究制作透波材料外，还有部分陶瓷基材料也有较多的研究，例如：氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、石英纤维增强石英陶瓷、石英陶瓷及微晶玻璃等。下表列出了几种主要的陶瓷基透波材料的基本物性。

1.氧化铝

氧化铝是最早商业化的单一氧化物陶瓷透波材料，已在响尾蛇和麻雀Ⅲ等导弹上得到了成功应用，其主要优点是强度高、硬度高、抗雨蚀性能好。缺点是介电性能差，热膨胀系数和弹性模量较高，缺乏足够的抗热冲击性能。

2.微晶玻璃

微晶玻璃是上世纪50年代美国康宁为保障“小猎犬”导弹计划的实施而开发出以二氧化钛为晶核剂的镁铝硅系微晶玻璃。这种材料介电性能好，介电常数约5.7，同时兼具耐高温、强度高等优点，问世后，在高马赫雷达中，微晶玻璃逐步取代Al2O3被作为透波材料，微晶玻璃的制备工艺复杂，材料成型和晶化处理等工序难以控制，使得这种材料的发展受到了局限。

3.石英陶瓷

石英陶瓷具有相对较低的密度和热膨胀系数，使其热防护性能与抗热冲击性能较为出众，此外石英陶瓷的介电损耗与介电常数较低。熔融石英的介电常数ε为3.4，介电损耗tanδ为0.4×10-3。在透波材料中，除了各向同性热解BN外，熔融石英陶瓷为介电性能中最为优异的材料，其成型工艺比较成熟，在制备不同形状和尺寸产品方面易于实现，目前已经成功的应用于防空导弹天线罩材料和透波天线窗领域。但是，石英陶瓷的劣势也非常明显，由于是脆性材料，其抗弯强度相对较低，断裂韧性为1.0MPa·m1/2，抵抗灾难性破坏的能力较差，此外耐高温（1200℃）性差、不耐雨蚀，限制了这种材料的应用。

4.氮化物陶瓷

氮化物系列陶瓷（氮化硅、氮化硼、氧氮化硅等）自身具有良好的介电性能，与石英陶瓷相比，在力学性能以及耐高温等方面有着无可比拟的优势，被众多研究者所青睐，并进行了大量的研究。目前，美法俄等西方军事强国研制出BN/Si3N4透波材料，并采用这种复合材料制备出了达到实用化水平的高马赫数导弹天线罩。美国海军某研究机构早在上世纪末就采用无压烧结方式、选用磷酸盐作为粘结剂制备出多孔氮化硅陶瓷材料，其烧结温度低于900℃，在20℃时，其介电常数为4.03，升温至1000℃，其介电常数不会出现超过5.2%的变化率，弯曲强度达85MPa。

近年来，针对问题主要经济成分Si3N4的复合陶瓷产品材料，一方面，进行分析反应、热压烧结制备生物技术与工艺的不断发展完善；另一重要方面，围绕教学材料的基础化学成分及无压烧结生产工艺设计展开研究广泛应用探讨。在国内，目前已先后开发了Si3N4-BN、Si3N4-SiO2、Si3N4-BN-SiO2、Si3N4-Al2O3-MgO等材料管理体系，并采用通过多种方式手段可以实现多孔化来降低其ε。

对这些材料的机械/热/电学性能的测试结果表明，均匀氮化硅透波材料体系具有优异的综合性能，但由于多孔陶瓷材料结构的均匀性难以控制，增韧技术也未取得实质性突破，因此研制的大尺寸陶瓷天线罩的安全性和可靠性降低。 在开发大尺寸构件过程中，在粉末组成、混合、构件成型、烧结、加工、无损检测等方面还存在一些亟待解决的技术问题。