资讯中心

数据共享

试验资源

信息资源

防护技术

盘点|导弹用先进复材之陶瓷基篇

2018-02-12 14:51:07
作者:本网整理
来源:材料十

20世纪80年代中期,美国发展空天飞机计划,提出耐高温和质量轻两项要求。为此研制了多种新型高温材料,包括先进的树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及碳/碳复合材料,陶瓷材料因具有优良的力学性能、热学性能和电性能而成为导弹天线罩的首选材料。陶瓷基复合材料在导弹结构件中应用最多的也就是天线罩部位。

    20世纪80年代中期,美国发展空天飞机计划,提出耐高温和质量轻两项要求。为此研制了多种新型高温材料,包括先进的树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及碳/碳复合材料,陶瓷材料因具有优良的力学性能、热学性能和电性能而成为导弹天线罩的首选材料。陶瓷基复合材料在导弹结构件中应用最多的也就是天线罩部位。

 

71.webp.jpg

 


    导弹天线罩


    导弹天线罩位于导弹的最前端,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。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,因此,导弹天线罩材料需要具备以下性能:


    (1)   优良的介电性能。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)和介电损耗,而且介电性能不随温度和频率产生明显变化。


    (2)   良好的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。


    (3)   高强度的结构性能。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。


    (4)   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。


    (5)   低的温度敏感性。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。


    天线罩材料发展史


    导弹天线罩材料的发展历程可归结为: 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,并逐步向宽频带、多模与精确制导方向发展。


    纤维增强塑料、氧化铝陶瓷、微晶玻璃等一般只能适用于飞行速度小于5Ma的导弹天线罩。石英陶瓷介电常数低、介电损耗低、膨胀系数小,且介电常数对频率和温度十分稳定,抗热冲击性能较好,成为目前高超音速(Ma>5)导弹唯一可用的天线罩材料。虽然石英陶瓷天线罩综合性能优异,但是当导弹飞行速度大于6.5Ma时也难以满足导弹天线罩稳定性和可靠性的高要求。而陶瓷基复合材料由于其优异的综合性能引起了广泛关注,成为各国研究、开发高超音速导弹天线罩材料的热点。


    20世纪50年代初,美国波音公司采用玻璃纤维增强塑料研制出Ma为3的主动寻的导弹的波马克天线罩。最早用于天线罩的陶瓷材料是单一氧化铝陶瓷,美国从20世纪50年代开始研究,并成功应用于麻雀Ⅲ、响尾蛇等导弹上,氧化铝天线罩只适用于Ma<3的导弹。随后,20世纪60年代,美国康宁公司开发出了TiO2为 晶核剂的 Mg-Al-Si系,牌号为9606的微晶玻璃(PyrOceram9606),该材料具有较好的介电性能、强度高和抗热冲击性能好,如小猎犬、百舌鸟、Typhon、GarK等导弹均选用该材料作天线罩,广泛替代了氧化铝陶瓷,用于Ma为3~4的导弹天线罩;我国在20世纪70年代,由中科院硅酸盐研究所研制出3-3微晶玻璃,除介电损耗稍高于9606,其他性能与9606非常相似,是国内第一种高温天线罩材料。


    熔融石英陶瓷是美国麻省理工学院 20 世纪60 年代研制出的一种材料。石英陶瓷因具有优良的耐热冲击和介电性能以及介电性能随温度变化小等优点,成为第三代也是目前应用最广泛的陶瓷导弹天线罩材料。 20世纪70年代,国外已大规模将石英陶瓷应用于多种型号导弹上,如美国的“爱国者”D型、“潘兴II”、俄罗斯的“S300”、意大的“A8paid”导弹上。国内石英陶瓷材料在80年代中期开始在天线罩领域应用研究,目前,已广泛应用在空空、地空、舰空等导弹上,如“ XX-11”、“XX-12”“XX-6”、“XX-9”系列导弹。石英陶瓷最大的缺点在于力学性能不佳及脆性大,为了保持石英陶瓷材料优良的介电性能、耐热性又提高石英陶瓷的强度,国内外研究学者研发了一系列纤维/颗粒增强石英陶瓷材料用于导弹天线罩,增强颗粒有Si4N3、BN、Al2O3莫来石等,增强纤维有SiO2纤维。除此之外,还有对石英成型工艺的研究,泥浆浇注熔石英材料是极少数几种适用于制作5马赫数以上雷达天线罩以及导向缘材料之一。该工艺允许成型大而形状复杂的制品,且材料性能分布均匀,各向同性。与其他陶瓷材料成型工艺相比,成本低,效率高,易工程化,已广泛应用于国内外第三代,第四代导弹天线罩上。


    虽然石英陶瓷天线罩综合性能优异,但是当导弹飞行速度大于6.5Ma时也难以满足导弹天线罩稳定性和可靠性的高要求。而陶瓷基复合材料由于其优异的综合性能引起了广泛关注,成为各国研究、开发高超音速导弹天线罩材料的热点。

 

72.webp.jpg

 


    陶瓷基导弹天线罩


    陶瓷基导弹天线罩材料主要包括氮化硅基、氧化硅基、磷酸盐基材料。氮化硅基陶瓷不仅具有优异的力学性能和很高的热稳定性,而且具有较低的介电常数,其分解温度为1900℃,其抗烧蚀性能比熔融石英好,能经受6~7Ma飞行条件下的热振。氮化硅基陶瓷复合材料天线罩是各国研究的主要目标之一,被美国乔治亚技术研究所的试验鉴定为最有希望的天线罩材料。研究者除继续改进反应烧结氮化硅、热压烧结氮化硅、气压烧结氮化硅、无压烧结氮化硅的制备技术外,在开发新型氮化硅的制备工艺技术上也进行了大量研究。但到目前为止,有关氮化硅基陶瓷作为导弹天线罩的还处于研究阶段。


    氧化硅基材料


    中程导弹天线罩由于导弹飞行马赫数高且加热时间相对较长,采用单一的石英陶瓷材料不能满足热应力的承载要求。为发展飞行速度5Ma以上的防空导弹,国内采用石英陶瓷天线罩制造技术研制出增强型石英陶瓷天线罩,目前已应用于某型号高速防空导弹。为满足中、远程地-地战术和战略导弹天线罩的需求,国内先后研制和发展了石英玻璃、高硅氧穿刺织物和正交三向石英织物增强二氧化硅基复合材料,并成功应用。


    磷酸盐基材料


    磷酸盐基复合材料是俄罗斯具有特色的透波材料,由布块或织物通过磷酸盐溶液浸渍后加压固化而得。复合固化后的磷酸铬(1200℃以下)及磷酸铬铝基复合材料(1200~1500℃)的力学性能、物理性能保持良好,电性能稳定。磷酸铝在1500~1800℃具有稳定的性能。目前,这类材料在巡航导弹、反导型、战术型导弹及航天飞机上获得了应用。磷酸盐的最大缺点是吸湿性很强,需要在复合材料表面涂覆有机涂层进行防潮处理。


    SIC陶瓷基复合材料


    SiC陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、抗烧蚀、抗冲刷和抗氧化等一系列优异的性能,在航空航天领域具有广泛的应用前景。从20世纪80年代末开始,欧美国家已研制成功一系列C/SIC、SIC/SIC陶瓷基复合材料,可应用于导弹的再入鼻锥、机翼前端等防热结构。


    根据日本宇部新产公司披露数据,SiC陶瓷具有:高级别碳化硅纤维在1800摄氏度仍然可以正常工作,密度仅为高温合金的1/3两大绝对优势。全球几家企业可以进行SiC陶瓷量产,产能在10吨-50吨/年不等。国内陶瓷基复合材料经过十几年的发展,正处在从研发到应用的阶段,一旦技术成熟,有望加速我们高端装备行业的发展进程。

 

更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态,我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org

责任编辑:王元
 

《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事
投稿联系:编辑部
电话:010-62313558-806
邮箱:fsfhzy666@163.com
中国腐蚀与防护网官方 QQ群:140808414

标签: 导弹, 复合材料, 陶瓷材料

腐蚀与防护网官方微信

官方微信

新闻 天天有料
分享到: