粉体圈首页     您好,欢迎来到粉体圈网络!
个人注册   企业注册   登录   找回密码   进入供求市场
粉体圈专注为粉碎设备,粉体设备等厂家提供粉体技术,粉体会议等信息及粉体展示和交流平台。 粉体圈专注为粉碎设备,粉体设备等厂家提供粉体技术,粉体会议等信息及粉体展示和交流平台。
当前位置:粉体圈首页>粉体技术>粉体应用技术>正文
氮化硅陶瓷在导弹天线罩材料领域的应用
2019年08月21日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:181
0

导弹天线罩是导弹的关键零部件,位于导弹的最前端,其作用是保护导航天线不受损坏,使导弹能有效地命中目标,它既是导弹气动外形的重要组成部分,又是天线的保护装置,是导弹不可缺少的重要部件。

1 在导弹高速飞行过程中,天线罩的性能深刻影响着导弹的制导精度,是导弹各部件中至关重要的零件

回顾导弹天线罩的发展历程,可将其所用材料归结为:纤维增强塑料→氧化铝陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→陶瓷基复合材料,其性能需求则逐步向宽频带、多模与精确制导方向发展。

2 2005年,俄罗斯在莫斯科高技术XXI-国际展览会上展示的导弹天线罩,证明其在导弹陶瓷和玻璃纤维部件设计方面的能力。从左到右依次为X-35、AA-12蝰蛇、X-31、48H6、3M-14导弹的天线罩。其材料包括玻璃陶瓷、玻璃纤维和石英陶瓷。

导弹在飞行过程中,天线罩既要承受气动加热和机械过载,抵御雨水、沙尘等恶劣工况的侵蚀,还要满足导弹控制回路所提出的苛刻的电气性能的要求,其具体性能要求如表1所示。

1 导弹天线罩性能要求

性能要求

解释

介电性能

在制导系统中,天线罩的传输效率和瞄准误差十分敏感地依赖于材料的介电性能及其与温度、频率等的关系因此要求材料具有低介电常数(ε<10)< span="">和介电损耗 

 

耐热性和抗热冲击性能

导弹的高马赫数使天线罩的瞬时加热速率高达120℃/s以上,因此要求材料具有较好的抗热冲击性能,且升高温度时要求材料分子结构稳定,材料特性(如介电性能、机械性能)变化小,以保证升高温度时天线罩能正常工作。

 

结构强度

天线罩材料的强度要高,而且要具有一定的刚性,强度满足导弹高速飞行时空气动力纵向或横向加速度引起的机械应力和弯曲力矩。

 

耐雨蚀性能

对冲击角的设计允许值范围和飞行器在雨蚀中的灵敏性起决定性的作用。

 

温度敏感性

一般材料在高温工作时,其介电特性和强度性能会发生明显的变化,因此,天线罩材料的各项性能,尤其是介电性能和强度,受温度变化的影响越小越好。

 

在这之中,氮化硅系列陶瓷由于其突出的透波性能、介电性能和力学性能,成为高性能导弹天线罩材料的理想之选。表2是部分天线罩材料性能对比,HPSN热压氮化硅力学性能显著高于其它几类陶瓷,弹性模量略低于最高的99%氧化铝,热膨胀系数低,抗雨蚀能力很好。

2 部分天线罩材料性能对比(表格来源:氮化物陶瓷系高温透波材料的研究进展)

美国波音公司在上世纪80年代开发出了“可控密度氮化硅”制备技术。这种工艺采用孔道形成法,在氮化硅粉末本体中制作内嵌孔道,制备出低密度氮化硅层,并在粉末压制成型后出去孔道形成多孔氮化硅压缩体。最后在氢气-氮气氛围中烧结形成氮化硅多孔陶瓷。这种材料以α-氮化硅为主,随着α-氮化硅晶须的密集生长,氮化硅的芯体形成多孔的柱状晶体互连,由此形成多孔壁结构。通过控制孔隙率,可以改变材料的密度,从而控制材料的介电性能。在此基础上,波音公司通过过反应烧结制备出以氮化硅和氮氧化硅为主相的氮化物多孔复合陶瓷透波材料,成功研制出了多倍宽频带天线罩。

通过可控密度方法,制备电气性能与力学性能更加优良的天线罩,这个思路延用至今。例如,2009年,一项美国专利提出可以制备出一种芯层为低密度氮化硅材料,外层为高密度氮化硅材料的宽带天线罩。其中外层高密度氮化硅采用RBSN(Reaction bonded silicon nitrde)方法制备。天线罩尖端和根部的密度高于其它区域,通过局部增大密度的方法提高了天线罩的抗雨蚀和抵抗气动力的能力。

国内对于氮化硅天线罩的研究起步较晚,近些年出现的研究成果基本沿用了波音公司早期通过改变孔隙率,改变密度,再影响电气性能的思路。但是在这基础上,也充分利用了氮化硼、碳化硅等其它成分陶瓷材料,对氮化硅陶瓷电气性能、力学性能进行充分改性优化。

例如,2014年,江苏太仓派欧公司的发明专利“一种透波Si3N4天线罩材料及其制备方法”中,提出以低密度多孔氮化硅为芯层,氮化硅与氮化硼短切纤维或晶须作为芯层增强相,致密化氮化硅为表面涂层的天线罩。其工艺是将硅粉与氮化硅以及氮化硼短切纤维混合造粒后与成孔剂按一定比例混合均匀,模压成一定形状坯体,在200-300℃下使成孔剂完全分解,得到多孔坯体。然后进行氮化处理得到短切纤维增强的多孔氮化硅陶瓷体,超声波清洗后烘干。最后通过化学气相沉积在多孔氮化硅瓷体表面,涂覆致密的氮化硅涂层。

3 正在修磨加工的陶瓷天线罩,可以看到天线罩形状近似一个回转抛物面的薄壁结构,通过修磨天线罩体的几何厚度,不仅可以消除半精加工中的尺寸偏差,还可以修正由于其介电常数的不均匀分布造成的电厚度误差

2018年,山东工业陶瓷设计研究院在专利“介电常数可调控的轻质氮化硅天线罩及其制备方法”中,采用氮化硅(70%-95%)、碳化硅、造孔剂和稀土氧化物粉体混合,利用冷等静压方法,通过控制成型压力和造孔剂含量,实现氮化硅素坯密度控制。此外,添加的高介电组分的碳化硅粉体含量可以对其电气性能、力学性能进行调控,这是因为将制备完成后的陶瓷,在氧化气氛下进行热处理,碳化硅表面将产生氧化硅,可使材料介电常数大幅提升,介电损耗小幅变化。

综合来看,可控密度氮化硅的研究,充分扩宽了氮化硅陶瓷物理性能的范围,这对于应用在海陆空各类复杂环境的导弹天线罩非常重要。

3 可控密度氮化硅与其它天线罩材料性能对比

(表格来源:可控密度氮化硅在导弹天线罩上的应用)

未来导弹武器系统的发展将对导弹天线罩提出更高的要求。防空导弹的速度和机动能力大大提高,要求天线罩必须在更高的工作温度和更恶劣的环境中,承受更大的负载力和热强度,并有更好的传输特性和更低的瞄准误差。这对于以氮化硅陶瓷为代表的天线罩材料的发展,即是挑战,更是机遇。

参考文献

氮化硅材料在空空导弹天线罩上的应用研究,中国空空导弹研究院,夏明凯,刘谊,侯瑞,刘建杰;航空制导武器航空科技重点实验室,侯瑞。

可控密度氮化硅在导弹天线罩上的应用,上海航天技术研究所802所,何利华,张谟杰。

一种透波氮化硅天线罩材料及其制备方法,太仓派欧技术咨询服务有限公司,陈昭峰,余盛杰。

介电常数可调控的轻质氮化硅天线罩及其制备方法,山东工业陶瓷研究设计院有限公司,王洪升,张萍萍,朱保鑫,韦其红,栾强,盖莹,温广武。

高性能氮化物透波材料的设计、制备及特性研究,武汉理工大学,张伟儒。

By:火宣


相关内容:
0
 

点击加入粉体技术交流群粉体技术群
返回页顶