1. 引言

利比亞戰(zhàn)爭中以美國為首的多國部隊動用了大量先進的隱形戰(zhàn)機和精確制導(dǎo)武器，如F16/F18、幻影2000、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈等，在短短幾個小時內(nèi)，就使得利比亞政府的通訊、交通、指揮等系統(tǒng)全部癱瘓。可見各類導(dǎo)彈在戰(zhàn)場上發(fā)揮著重要的作用。

    作為重要的透波部件，天線罩位于導(dǎo)彈頭部，多為錐形或半球形，它既是彈體的結(jié)構(gòu)件，又是無線電尋的制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分^[1]。在導(dǎo)彈飛行過程中，它既要承受氣動載荷、氣動熱等惡劣環(huán)境，又要作為發(fā)射和接收電磁波的通道，保證信號的正常傳輸，從而使導(dǎo)彈順利完成制導(dǎo)和引爆等任務(wù)^[1]。此外，為了減少導(dǎo)彈頭部氣動阻力，天線罩還必須具有合適的氣動外形^[1,2]。因此，天線罩能夠保護導(dǎo)彈的制導(dǎo)、通訊、遙測、引爆等系統(tǒng)在惡劣環(huán)境條件下正常工作，是一種集承載、導(dǎo)流、透波、防熱、耐蝕等多功能為一體的結(jié)構(gòu)/功能部件^[3,4]。

隨著導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)的不斷提高，處于導(dǎo)彈氣動力和氣動熱最大最高位置的天線罩需承受的溫度和熱沖擊越來越高。新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的再入速度可高達幾十個馬赫，這使得導(dǎo)彈天線罩的工作環(huán)境日趨惡劣^[5]。高溫透波材料研究的滯后是制約導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。因此，高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩熱透波材料必須具備良好的綜合性能，歸納起來，主要有以下幾點^[6]：

（1）力學(xué)性能優(yōu)良。斷裂強度和韌性高，可承受高馬赫數(shù)導(dǎo)彈高速飛行時縱向過載和橫向過載產(chǎn)生的剪力、彎矩和軸向力，且要具有一定的剛性，使其在受力時不易變形。

    （2）介電性能優(yōu)異。介電常數(shù)ε低，損耗角正切值tgδ小。通常情況下，在0.3～300GHz頻率范圍內(nèi)，天線罩材料的適宜介電常數(shù)ε應(yīng)小于4，損耗角正切tgδ在10^-3數(shù)量級以下，這樣才能獲得較理想的透波性能和瞄準(zhǔn)誤差特性。

（3）抗熱震性和耐熱性好。天線罩必須承受由于氣動加熱引起的劇烈熱沖擊和高溫環(huán)境，高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩更要能承受2000oC以上的高溫。

（4）經(jīng)得起雨蝕、粒子蝕、輻射等惡劣環(huán)境條件。

（5）原料易得，易于加工，成本低廉等。

2. 熱透波復(fù)合材料的分類

相比于純陶瓷材料，陶瓷基復(fù)合材料的最大優(yōu)勢在于很高的抗熱沖擊性能和結(jié)構(gòu)可靠性，特別適用于高超聲速再入的熱力載荷環(huán)境。主要有兩類：

    二氧化硅復(fù)合材料 為了大幅度提高熱透波材料的抗熱沖擊性能，滿足高速再入環(huán)境條件需求，20 世紀(jì)70 年代末至 80 年代初，美國菲格福特公司 ( Philco-Ford) 和通用電器公司( General Electric) 首先開展了石英纖維增強二氧化硅熱透波復(fù)合材料研究工作^[7-8]，發(fā)展了材料制備工藝，比較全面地評價了材料綜合性能，但后續(xù)研究和應(yīng)用工作情況未見報道。國內(nèi)從 20 世紀(jì) 80 年代末開始石英纖維增強二氧化硅復(fù)合材料研究工作，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，突破了石英纖維制備、高純硅溶膠制備、增強織物結(jié)構(gòu)設(shè)計、織物編織、循環(huán)浸漬復(fù)合、防潮處理等一系列材料研制和工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，針對不同需求，研制出穿刺結(jié)構(gòu)、三向正交結(jié)構(gòu)、淺彎交聯(lián)結(jié)構(gòu)等一系列具有優(yōu)良力學(xué)、介電、燒蝕和熱物理等綜合性能的熱透波材料及構(gòu)件，滿足了廣泛而重要的背景需求，材料體系也基本成熟，是目前國內(nèi)高性能熱透波材料的主要品種。

磷酸鹽復(fù)合材料 20 世紀(jì) 50 ～ 60 年代，從低成本需求出發(fā)，前蘇聯(lián)、美國和西德開始硅質(zhì)纖維織物增強磷酸鹽復(fù)合材料研究，其中比較具有代表性的是前蘇聯(lián)研制的磷酸鉻鋁材料，可以 170 ℃ 低溫固化，1 200 ℃高溫使用^[9]。國內(nèi)從 20 世紀(jì) 90 年代末開始同類材料研究，突破了低溫固化高溫使用、介電性能調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，采用模壓工藝制備的材料獲得了少量型號應(yīng)用。磷酸鹽類熱透波材料具有明顯的低成本優(yōu)勢，但與其它熱透波材料相比，其介電和力學(xué)綜合性能較為普通，不適合苛刻環(huán)境使用。

熱透波復(fù)合材料的制備：

3. 熱透波復(fù)合材料的制備^[10]

導(dǎo)彈天線罩等航天透波材料及構(gòu)件的制備工藝有許多種，從制備工藝的主要特點和實際應(yīng)用角度來看，主要有燒結(jié)法、溶膠—凝膠（Sol-gel）法、化學(xué)氣相滲透（CVI）法和聚合物先驅(qū)體浸漬—裂解（PIP）法。此外，還有無機鹽浸漬固化工藝、注凝成型工藝、注漿成型工藝、原位生長法等。

(1) 燒結(jié)法

燒結(jié)法主要用于高溫下制備陶瓷透波材料或顆粒增強的陶瓷基透波材料。常用方法主要包括反應(yīng)燒結(jié)法、氣壓燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法和熱等靜壓燒結(jié)法等。

然而，透波陶瓷材料大多是典型的離子和共價化合物，低溫?zé)Y(jié)時難以致密化，并且由于燒結(jié)性能較差，導(dǎo)致其致密度和力學(xué)性能也較差，而且混料及燒結(jié)過程中的不確定因素更限制了其優(yōu)異性能的發(fā)揮。因此，傳統(tǒng)的燒結(jié)方法難以制備高質(zhì)量的透波材料。

(2) 溶膠—凝膠（Sol-gel）法^[11-13]

溶膠—凝膠（Sol-gel）法最初只用來制取氧化物陶瓷超細粉末，近年來已被應(yīng)用于制備陶瓷基復(fù)合材料。其一般工藝過程是：氧化物溶膠浸漬預(yù)制件（纖維織物或疊層布等其他多孔材料），經(jīng)干燥脫水，溶膠變成凝膠，然后在一定溫度下燒結(jié)成陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件。溶膠—凝膠法的主要特點是燒成溫度低，可制備大型復(fù)雜構(gòu)件且可實現(xiàn)凈成型。其缺點為凝膠陶瓷產(chǎn)率低，基體燒成收縮大，需反復(fù)浸漬—燒成，同時要有穩(wěn)定的、濃度合適的溶膠，且非氧化物的溶膠是難以制備。因此，此法目前主要用于氧化物基特別是石英基透波復(fù)合材料的制備。

(3) 化學(xué)氣相滲透（CVI）法^[13-15]

化學(xué)氣相滲透（Chemical vapor infiltration，CVI）法起源于60 年代中期，是在化學(xué)氣相沉積（Chemical vapor deposition，CVD）法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其典型工藝過程是：將纖維預(yù)成型體置于CVI 爐中，源氣通過擴散或由壓力差產(chǎn)生的定向流動輸送至預(yù)成型體周圍，然后向其內(nèi)部擴散，氣態(tài)先驅(qū)體在孔隙內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積，使孔隙壁的表面逐漸增厚。

CVI 工藝的主要優(yōu)點是：基體制備溫度低，故纖維受損傷小，材料內(nèi)部殘余應(yīng)力小；能制備硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等多種陶瓷材料，并可實現(xiàn)微觀尺度上的成分設(shè)計；在同一CVI 反應(yīng)室中，可依次進行纖維/基體界面、中間相、基體以及部件外表涂層的沉積；能制備形狀復(fù)雜和纖維體積分?jǐn)?shù)高的近尺寸部件。

其不足之處主要有：基體的晶粒尺寸小，材料熱穩(wěn)定性低；基體的致密化速度慢，生產(chǎn)周期長，制備成本高；預(yù)制體的孔隙入口附近氣體濃度高，沉積速度大于內(nèi)部沉積速度，容易形成“瓶頸效應(yīng)”而產(chǎn)生密度梯度；制備過程中易產(chǎn)生強烈的腐蝕性產(chǎn)物。

(4) 聚合物先驅(qū)體浸漬—裂解（PIP）法^[16]

1983 年，日本的S. Yajima 等提出了聚碳硅烷裂解制備SiC 材料的路線，并使SiC 纖維實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷材料的巨大潛力逐漸被人們所認識，迅速掀起了先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備陶瓷材料的研究熱潮。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法開創(chuàng)了從有機物制備無機物的新領(lǐng)域，實現(xiàn)了陶瓷制備工藝的革命性創(chuàng)新，目前已經(jīng)在陶瓷微粉、陶瓷纖維、陶瓷薄膜、泡沫陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等方面取得了眾多成果。在先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷工藝中，聚合物先驅(qū)體浸漬－裂解法（Precursor infiltrationand pyrolysis，PIP）是制備陶瓷基復(fù)合材料的重要方法，其一般過程是：以纖維預(yù)制件（三維編織物、疊層布多孔材料等）為骨架，浸漬聚合物先驅(qū)體（溶液或熔融物），在惰性氣體保護下使其交聯(lián)固化（或晾干），然后在一定氣氛中進行高溫裂解，從而得到陶瓷基復(fù)合材料及構(gòu)件，重復(fù)浸漬－交聯(lián)－裂解過程可使復(fù)合材料致密化。與粉末成型、熱壓燒結(jié)等傳統(tǒng)陶瓷制備工藝相比較，PIP 工藝的主要特點是：有機聚合物先驅(qū)體的分子組成具有可設(shè)計性，進而可實現(xiàn)對復(fù)合材料陶瓷基體的組成、結(jié)構(gòu)與性能的控制；制備溫度低，可以減輕對預(yù)制件的損傷；在單一的聚合物和多相的聚合物中浸漬，可以得到組成結(jié)構(gòu)均勻的單相或多相陶瓷基體；可以制備大型復(fù)雜構(gòu)件且可實現(xiàn)凈成型，產(chǎn)品機加工性良好。然而，PIP 工藝仍存在一些不足。例如，先驅(qū)體交聯(lián)和裂解過程中有小分子逸出，在裂解時材料有可能發(fā)生體積收縮，導(dǎo)致所得的陶瓷基體孔隙率很高，力學(xué)性能較差，因此，需經(jīng)反復(fù)浸漬和裂解才能提高材料的密度與強度，制備周期較長；聚合物先驅(qū)體的合成過程較為復(fù)雜，成本較高等。

對于連續(xù)纖維增強的陶瓷基透波復(fù)合材料，Sol-gel 和PIP 工藝相對于其他方法具有較大優(yōu)勢，也是目前各研究主要采用的方法。前者主要用于制備石英基復(fù)合材料，后者則多用于氮化物基透波復(fù)合材料的制備。

4. 熱透波復(fù)合材料的電性能^[17]

4.1介電性能

介電性能隨溫度的上升而發(fā)生變化是限制熱透波材料使用溫度范圍的一個主要因素。系統(tǒng)性的熱透波研究主要涉及3個方面，即材料的熱電行為、材料的燒蝕傳熱行為、三維非均態(tài)構(gòu)件的熱透波分析計算。熱電行為和燒蝕傳熱行為是進行熱透波分析計算的前提，兩者分別為后者提供高溫介電性能、溫度場和燒蝕外形的輸入條件。本部分只介紹材料熱電行為。

熱電行為即固定工作頻率下，材料介電常數(shù)和介電損耗隨溫度上升的變化規(guī)律，包括本征變化和雜質(zhì)微成分的影響，熱電行為是材料固有物理屬性。

氧化鋁單晶( 藍寶石)基體介電性能 在熔融之前，材料介電常數(shù)和介電損耗均隨溫度上升緩慢上升，離子鍵比例較高的大多數(shù)氧化物熱透波材料均具有類似特點。熔融之后，由于出現(xiàn)正負離子離解，成為導(dǎo)電材料，不再適合作為熱透波材料使用。二氧化硅是一個特例，熔融之后，四面體結(jié)構(gòu)單元基本保持，因而仍具有較小的熔融態(tài)介電損耗。

氮化硅材料基體介電性能 在分解氣化之前，介電常數(shù)隨溫度上升變化較小，但介電損耗在達到一定溫度后( 約 1 600 ℃) 迅速上升，共價鍵原子晶體的氮化物熱透波材料均具有類似變化規(guī)律。介電損耗的突變是由于電子電導(dǎo)的迅速增加引起的，與材料的禁帶寬度有關(guān)，禁帶寬度越窄，突變越明顯。Si₂N₂O其熱電行為與 Si₃N₄材料類似。由于 Si₂N₂O 禁帶寬度(5.95eV) 大于Si₃N₄(5.3eV)，因而高溫介電損耗小于Si₃N₄。

雜質(zhì)微成分對材料熱電行為的影響 雜質(zhì)微成分在熱透波材料中一般含量較低，對熱電行為的影響主要源于高溫下產(chǎn)生的離子電導(dǎo)，因而對介電損耗影響較大，對介電常數(shù)影響不明顯，一般不同材料高溫介電損耗差異很大，一價元素更易于在晶格或網(wǎng)絡(luò)中遷移，其影響作用遠大于三價元素。

4.2高溫電性能測試

高溫電性能測試主要包括介電性能測試和透波性能測試，前者直接獲得高溫平衡狀態(tài)下材料的介電常數(shù)和介電損耗等物理性能，后者一般得到的是高溫非平衡狀態(tài)下材料的功率傳輸系數(shù)和插入相位移等使用性能。

高溫介電性能測試

在微波及毫米波波段，介電性能的測試方法主要有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)法和諧振腔法兩大類，兩者分別適用于高損耗材料和低損耗材料的測量。前者主要包括傳輸/反射法、終端開路/短路法和自由空間法，后者包括諧振腔微擾法、介質(zhì)諧振器法和高 Q 諧振腔法等。國內(nèi)外利用這些方法進行高溫介電性能測試的相關(guān)報道很多，由于被測材料對象較多，在測試溫度范圍內(nèi)材料介電參數(shù)的變化也較大，所以不同方法具有各自不同的適用范圍［24 －26］。高溫介電性能測試共同需要解決的主要問題是高溫測試物理模型、高溫測試系統(tǒng)選材和高溫校準(zhǔn)與誤差分析。

熱透波性能測試

熱透波性能測試需要解決2 個主要問題，一是開放環(huán)境下的電測準(zhǔn)確性問題，二是熱源干擾問題。后者更為關(guān)鍵。當(dāng)溫度不超過1400℃時，熱源可以選用石英燈、氧乙炔或太陽爐等，對測試結(jié)果影響較小。20世紀(jì)70年代，沃爾太特( Basstl) 和蘭利( Langley) 研究中心采用無電磁干擾、可控?zé)崃鞯奶柲芗訜岱桨福晒M行了熱透波模擬測試，總熱流接近 1MW/m²量級。

對于高超聲速再入飛行，熱流環(huán)境遠高于1MW/m²，一般需要采用電弧等離子體射流或電弧風(fēng)洞模擬熱環(huán)境。但是，由于電極燒損、空氣電離等問題，電弧加熱器開機時，流場的電子數(shù)密度達到 10¹⁴個/cm³量級以上，遠高于透波性能正常測試 ( Ku 波段) 要求的約10¹¹個/cm³上限，流場干擾可造成信號衰減 40 dB，完全掩蓋了1 dB左右的被測信號。因此，美國國家航空航天局艾姆斯研究中心( Ames) 、蘭利研究中心和空軍飛行動力實驗室，以及國內(nèi)相關(guān)研究部門，早期均采取燒蝕關(guān)機后立即進行降溫過程電測的方法，可以在一定程度上獲取有用的熱透波信息，但無法進行軌道模擬測試。近期，國內(nèi)已突破電弧加熱器流場品質(zhì)控制關(guān)鍵技術(shù)，電子數(shù)密度下降到10¹⁰個/cm³量級，實現(xiàn)了開機過程熱透波實時測試，在8MW/m²熱流條件下，功率分辨率不低于0.1dB，成功進行了多種熱透波材料的燒蝕熱透波模擬測試。

5. 小結(jié)

隨著高超聲速技術(shù)的快速發(fā)展，在相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的推動下，熱透波領(lǐng)域?qū)⑼黄乒こ虘?yīng)用為主的局限，呈現(xiàn)基礎(chǔ)與應(yīng)用相輔相成，全面發(fā)展的局面。熱電行為規(guī)律建模分析向全溫域、全頻域和高精度方向發(fā)展。燒蝕傳熱行為規(guī)律建模分析向高精度和大熱流范圍方向發(fā)展，熱透波分析向一體化、大尺度和高精度方向發(fā)展，高溫介電性能測試向全覆蓋和降低不確定度方向發(fā)展，熱透波模擬試驗向大尺度、高熱流和長時間方向發(fā)展，實現(xiàn)熱透波材料實現(xiàn)材料體系的創(chuàng)新。