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高超声速导弹用雷达天线罩的增强材料

发布日期:2020-08-05 09:56:40 作者:admin1 点击:53

    高超声速导弹天线罩对材料性能的要求较一般导弹和飞机天线罩更为苛刻。高超声速导弹在稠密大气层内飞行时,空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用,产生气动加热现象。随着导弹马赫数的增加,气动加热非常严重。高速飞行时气动加热引起的温度升高,大体与速度的平方成正比。导弹的速度越高,天线罩材料所要求的耐热性越高。如在海平面高度,导弹以8~12倍声速飞行时,天线罩温度将高达2400℃。气动加热在天线罩罩壁产生很高的升温速率(540~820℃),在天线罩的内部存在很大的热应力,材料应具有良好的抗热冲击性能。高超声速导弹飞行时纵向和横向过载产生的剪力、弯矩和轴向力非常大,要求天线罩材料具有较高的力学性能。气动加热及气动剪切力的作用,还会使天线罩表面发生烧蚀,因此天线罩材料应具有微烧蚀或烧蚀可控性。

    随着导弹飞行速度越来越快,导弹天线罩材料的发展历程为:纤维增强树脂复合材料——氧化铝陶瓷——微晶玻璃——石英陶瓷——氮化物陶瓷——陶瓷基复合材料。

    纤维增强树脂复合材料与其它雷达罩应用情况相同,此处不再赘述。

    **种商品化的高温天线罩为氧化铝陶瓷,在麻雀Ⅲ导弹和响尾蛇导弹中得到成功应用,优点是强度高、硬度高、抗雨蚀性能好,缺点是弹性模量和线胀系数大,抗热冲击性能差。微晶玻璃是一种玻璃陶瓷,堇青石是其主要结晶相,但成型工艺和条件复杂,难以控制。1950年代末美国Corning公司开发的微晶玻璃应用在“小猎犬”舰空导弹天线罩中。1970年代末以来中科院硅酸盐研究所研制的3-3微晶玻璃组成与Corning公司的9606微晶玻璃极为接近,只是介电损耗相对偏高,是国内**种高温天线罩材料,已成功应用于超声速中低空防空导弹天线罩中。

    氧化铝、微晶玻璃仅适应于导弹飞行速度小于5倍声速的天线罩。对于高超声速导弹而言,天线罩候选材料主要有石英陶瓷、氮化硅和氮化硼陶瓷。石英陶瓷的抗热冲击性好,介电性能稳定,制造成本适中,已在美国“爱国者”和“潘兴Ⅱ”导弹得到了应用,适用于3~5倍声速的导弹天线罩。

    石英陶瓷是综合性能很好的天线罩材料,但石英陶瓷的抗雨蚀及抗粒子侵蚀性能较差,当导弹飞行速度大于6.5倍声速时,石英陶瓷难以满足导弹天线罩强度和可靠性要求。1970~1980年代发展了氮化硅和氮化硼等氮化物陶瓷主要应用于小于6倍声速的导弹天线罩。国内哈尔滨工业大学、山东工业陶瓷研究设计院、中科院上海硅酸盐研究所对氮化硼、氮化硅 、氮化铝陶瓷及其复相陶瓷进行了深入研究。

    高超声速导弹天线罩要求材料具有优异的力学、介电、耐烧蚀及抗热冲击性能,现有的材料体系仅有连续纤维增强陶瓷基复合材料能够满足高超声速导弹天线罩的应用要求。基体的作用是把载荷传递到纤维上,同时纤维发挥对基体的增强作用。石英纤维在各类纤维中综合性能*为优异。

石英纤维500.jpg

    此外石英纤维化学稳定性好、抗热冲击、耐烧蚀、易于编制且介电性能优异,非常适合航天透波领域的应用。然而石英纤维在高温处理时容易脆化,力学性能迅速下降,因此应加强高纯耐高温石英纤维的开发,改进其常温和高温力学性能。目前国内外主要以石英和BN两种纤维为增强体制备陶瓷基透波复合材料。