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哪种高温透波陶瓷可以满足高端雷达天线罩的性能需求?
2022年05月20日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:142
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雷达天线罩是飞行器雷达系统的重要组成部分,用来保护雷达天线或整个微波系统在恶劣环境下能够正常工作,是一个气动/结构/透波功能一体化部件。典型的飞行器雷达天线罩位于机头前部,如果把雷达比作飞机的眼睛,雷达罩则是飞机“眼睛”的防护镜。机载、弹载和其它飞行器上的天线罩还有改善气动外型的作用;舰载、车载和地面天线,以及精密跟踪测量雷达、射电天文望远镜等的天线上使用天线罩,可大大提高其瞄准精度。


机载雷达天线罩

根据不同结构形式,高温透波部件可分为天线罩和天线窗两大类,天线罩一般多为锥形或半球形,位于高速飞行器的鼻部,而天线窗位于飞行器侧部,为平板状。透波部件不仅要求减少介质材料对电磁波信号接收和反射的影响,同时承担着防热、承载、导流和耐候等功能。

高温透波材料应满足以下性能要求:

(1)优异的介电性能。透波性能是高温透波材料的首要评价指标,需要满足在0.3~300 GHz波段,1~1000 nm波长内电磁波透过率大于70%,并且随着频率和温度的变化不发生明显改变(温度升高或降低100°C介电常数变化小于1%),以

保证天线系统正常的通讯、遥测和制导等工作。通常具有较低介电常数和介电损耗角正切值的材料具备较强的透波能力;

(2)良好的抗热震性能。透波陶瓷部件在工作过程中的瞬时温度升温速率高达100°C/s以上,良好的抗热震性能能够保证透波材料承受剧烈的热冲击,以减少热震应力产生的裂纹;

(3)优秀的力学性能。高马赫数飞行器在飞行环境中受到较强的气动力和气动热,透波材料应具备优秀的断裂韧性、比强度和比刚度,以承受高速飞行产生的各种应力,并且在高温时仍能保持较好的力学性能;

(4)良好的抗雨水冲蚀性。透波材料需能够承受雨蚀、辐射以及粒子蚀等恶劣环境;

(5)良好的材料制造、加工可行性,以及较低的质量

由于陶瓷材料具有不易吸水吸潮、强度高、高温性能稳定等优点,满足承载、透波、耐高温抗烧蚀等多功能要求,日益成为国内外在透波领域的研究热点,成为天线罩的首选材料之一。

目前对于高温透波陶瓷材料的研究主要集中在氧化物陶瓷、磷酸盐陶瓷和氮化物陶瓷三个方面。

常见透波陶瓷材料的基本性能

常见透波陶瓷材料的基本性能

常见的高温透波陶瓷材料的种类及特点总结如下:

不同种类透波陶瓷的优缺点及适用领域


随着国防和现代军事战争的需要及科学技术的发展,飞行器的马赫数不断提高,因此满足高马赫数飞行器对天线罩天线窗等透波部件性能要求的透波材料是未来的发展方向。

由以上对几种陶瓷材料的性能特点对比可知:

(1)氧化铝、微晶玻璃等部分氧化物陶瓷和磷酸盐陶瓷由于较差的抗热性、高温机械性能和介电性能在高马赫数飞行器的适用上面临淘汰;

(2)莫来石陶瓷众多的优良特性尚需足够充分的研究和应用;

(3)由于较差的抗氧化性、抗雨蚀性、机械性能和易吸潮,均质石英陶瓷并不能满足新一代飞行器的需要,经过纤维增强性能得到较大的提升,石英纤维织物增强石英复合材料是目前已投入应用、综合性能最优的材料;

(4)较难烧结、高温介电损耗异常增大等问题使得氮化硼陶瓷从未得到实际的应用,多孔氮化硅陶瓷已成功应用在部分宽带高温透波部件上,氮化物复合/复相陶瓷由于质量大、各项性能未实现同步提升等问题,应用受到限制。

总结

目前高温透波陶瓷材料仍存在介电性能和机械性能难以协同、隔热透波性能矛盾、成型加工困难不能适应设计需要、高温性能尚需提升等问题。需要开发新的低成本、高性能的材料体系,同时还要匹配实际生产加工的需要,连续纤维增强氮化物基复合材料具有优异的综合性能,是今后高温透波陶瓷的发展方向,国内目前石英纤维和氮化硅纤维发展较好,其他纤维的发展与国外存在较大的差距,是今后的研究重点。


参考来源:

1. 天线罩用高温透波陶瓷材料的研究进展,毛富洲、银锐明、李鹏飞、刘碧慧、白云飞(湖南工业大学材料与先进制造学院);

2. 透微波陶瓷材料的研究现状,陈虹、张联盟、罗文辉(山东工业陶瓷研究设计院、武汉理工大学)。


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