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天线罩可以用哪些陶瓷材料?
2020年11月30日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:430
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雷达和天线是一组黄金搭档,前者主要用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向;后者则是用于完成波导场和空间辐射场的相互转换。不过许多情况下它们会“躲”在一个球下,而这个球形状的物体,就是天线罩

天线罩

这个像球的就是天线罩

天线罩是什么?

天线罩是一种保护天线系统免受外部环境影响的结构物,它在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性,机械性能上能经受外部恶劣环境的作用,用在地面上大天线的天线罩可以减小风阻,避免冰雪的积累,通常呈球形壳体状;而在机载和弹载平台,为了减小空气阻力,必须要求尖锥状的天线罩。

为了制造天线罩,透波材料是必不可少的。对于雷达天线罩而言,透波材料必须要具有以下几点特质:

①稳定的高温介电性能。天线罩材料不仅要具有低的介电常数(ε<10)和损耗角正切值(tanδ<10-2),并且这种材料的介电性能不随温度、频率有明显的变化(如温升100℃,ε变化<1%),以便保证在气动加热条件下,尽可能不失真地透过电磁波;

②低的热胀系数,以利于抗热冲击和满足壁厚公差;

③抗侵蚀性能。具有防雨蚀、防粒子云侵蚀的能力等;

④具有足够的力学性能,保证天线罩在飞行过程中由空气动力纵向和横向加速度引起的机械应力作用下不受损伤;

⑤低的材料密度;

⑥低的电导率,要求介质材料的电导率σ为10-2010-10 S/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。

几种陶瓷基天线罩材料的基本物性

天线罩

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,产品牌号为 9606。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作为透波材料,譬如:美国空军的GarXI、GarIX与海军的“Typhon”、“小猎犬”、“百灵鸟”防辐射导弹等。但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。

天线罩

美国 Ceradyne 公司生产的熔融石英陶瓷天线罩

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,针对主要成分为Si3N4的复合陶瓷材料,一方面,进行反应、热压烧结制备技术与工艺的不断完善;另一方面,围绕材料的基础成分及无压烧结工艺展开广泛探讨。在国内,目前已先后开发了Si3N4-BN、Si3N4-SiO2Si3N4-BN-SiO2Si3N4-Al2O3-MgO等材料体系,并采用多种手段实现多孔化来降低其ε。

天线罩

热等静压烧结制备的Si3N4-BN复相多孔陶瓷:(a)h-BN含量1wt%;(b)h-BN含量5wt%

对这些材料力/热/电性能的测试结果表明,均质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的组织结构均匀性难以控制和增韧技术未能取得实质性的突破,导致研制出的大尺寸陶瓷天线罩的安全可靠性降低,因此,在大尺寸构件研制过程中,粉料组成、混合以及构件成型、烧结、加工和无损检测方面仍面临一些技术问题亟需解决。

资料来源:

隐身-透波一体化Si3N4基陶瓷材料的制备与结构设计,李伶。

天线罩用宽频透波材料的发展现状,余娟丽,陈磊,吕毅,赵英民,裴雨辰。

高温透波陶瓷材料研究进展,蔡德龙,陈斐,何凤梅,贾德昌,匡宁,苗蕾,邱海鹏,王洪升,徐念喜,杨治华,于长清,张俊武,张伟儒,周延春。

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