20世紀(jì)80年代中期，美國發(fā)展空天飛機(jī)計(jì)劃，提出耐高溫和質(zhì)量輕兩項(xiàng)要求。為此研制了多種新型高溫材料，包括先進(jìn)的樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料及碳／碳復(fù)合材料，陶瓷材料因具有優(yōu)良的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和電性能而成為導(dǎo)彈天線罩的首選材料。陶瓷基復(fù)合材料在導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用最多的也就是天線罩部位。

    導(dǎo)彈天線罩

    導(dǎo)彈天線罩位于導(dǎo)彈的最前端，其作用是保護(hù)導(dǎo)航天線不受損壞，使導(dǎo)彈能有效地命中目標(biāo)，它既是導(dǎo)彈氣動(dòng)外形的重要組成部分，又是天線的保護(hù)裝置，是導(dǎo)彈不可缺少的重要部件。導(dǎo)彈在飛行過程中，天線罩既要承受氣動(dòng)加熱和機(jī)械過載，抵御雨水、沙塵等惡劣工況的侵蝕，還要滿足導(dǎo)彈控制回路所提出的苛刻的電氣性能的要求，因此，導(dǎo)彈天線罩材料需要具備以下性能：

    （1）   優(yōu)良的介電性能。在制導(dǎo)系統(tǒng)中，天線罩的傳輸效率和瞄準(zhǔn)誤差十分敏感地依賴于材料的介電性能及其與溫度、頻率等的關(guān)系。因此要求材料具有低介電常數(shù)（ε<10）和介電損耗，而且介電性能不隨溫度和頻率產(chǎn)生明顯變化。

    （2）   良好的耐熱性和抗熱沖擊性能。導(dǎo)彈的高馬赫數(shù)使天線罩的瞬時(shí)加熱速率高達(dá)120℃/s以上，因此，要求材料具有較好的抗熱沖擊性能，且升高溫度時(shí)要求材料分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，材料特性（如介電性能、機(jī)械性能）變化小，以保證升高溫度時(shí)天線罩能正常工作。

    （3）   高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性能。天線罩材料的強(qiáng)度要高，而且要具有一定的剛性，強(qiáng)度滿足導(dǎo)彈高速飛行時(shí)空氣動(dòng)力縱向或橫向加速度引起的機(jī)械應(yīng)力和彎曲力矩。

    （4）   耐雨蝕性能。對沖擊角的設(shè)計(jì)允許值范圍和飛行器在雨蝕中的靈敏性起決定性的作用。

    （5）   低的溫度敏感性。一般材料在高溫工作時(shí)，其介電特性和強(qiáng)度性能會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此，天線罩材料的各項(xiàng)性能，尤其是介電性能和強(qiáng)度，受溫度變化的影響越小越好。

    天線罩材料發(fā)展史

    導(dǎo)彈天線罩材料的發(fā)展歷程可歸結(jié)為： 纖維增強(qiáng)塑料→氧化鋁陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→陶瓷基復(fù)合材料，并逐步向?qū)掝l帶、多模與精確制導(dǎo)方向發(fā)展。

    纖維增強(qiáng)塑料、氧化鋁陶瓷、微晶玻璃等一般只能適用于飛行速度小于５Ｍａ的導(dǎo)彈天線罩。石英陶瓷介電常數(shù)低、介電損耗低、膨脹系數(shù)小，且介電常數(shù)對頻率和溫度十分穩(wěn)定，抗熱沖擊性能較好，成為目前高超音速（Ｍａ＞５）導(dǎo)彈唯一可用的天線罩材料。雖然石英陶瓷天線罩綜合性能優(yōu)異，但是當(dāng)導(dǎo)彈飛行速度大于6.5Ｍa時(shí)也難以滿足導(dǎo)彈天線罩穩(wěn)定性和可靠性的高要求。而陶瓷基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的綜合性能引起了廣泛關(guān)注，成為各國研究、開發(fā)高超音速導(dǎo)彈天線罩材料的熱點(diǎn)。

    20世紀(jì)50年代初，美國波音公司采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料研制出Ma為3的主動(dòng)尋的導(dǎo)彈的波馬克天線罩。最早用于天線罩的陶瓷材料是單一氧化鋁陶瓷，美國從20世紀(jì)50年代開始研究，并成功應(yīng)用于麻雀Ⅲ、響尾蛇等導(dǎo)彈上，氧化鋁天線罩只適用于Ma＜3的導(dǎo)彈。隨后，20世紀(jì)60年代，美國康寧公司開發(fā)出了TiO2為 晶核劑的 Mg-Al-Si系，牌號為9606的微晶玻璃（PyrOceram9606），該材料具有較好的介電性能、強(qiáng)度高和抗熱沖擊性能好，如小獵犬、百舌鳥、Typhon、GarK等導(dǎo)彈均選用該材料作天線罩，廣泛替代了氧化鋁陶瓷，用于Ma為3~4的導(dǎo)彈天線罩；我國在20世紀(jì)70年代，由中科院硅酸鹽研究所研制出3-3微晶玻璃，除介電損耗稍高于9606，其他性能與9606非常相似，是國內(nèi)第一種高溫天線罩材料。

    熔融石英陶瓷是美國麻省理工學(xué)院 20 世紀(jì)60 年代研制出的一種材料。石英陶瓷因具有優(yōu)良的耐熱沖擊和介電性能以及介電性能隨溫度變化小等優(yōu)點(diǎn)，成為第三代也是目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷導(dǎo)彈天線罩材料。 20世紀(jì)70年代，國外已大規(guī)模將石英陶瓷應(yīng)用于多種型號導(dǎo)彈上，如美國的“愛國者”D型、“潘興II”、俄羅斯的“S300”、意大的“A8paid”導(dǎo)彈上。國內(nèi)石英陶瓷材料在80年代中期開始在天線罩領(lǐng)域應(yīng)用研究，目前，已廣泛應(yīng)用在空空、地空、艦空等導(dǎo)彈上，如“ XX-11”、“XX-12”“XX-6”、“XX-9”系列導(dǎo)彈。石英陶瓷最大的缺點(diǎn)在于力學(xué)性能不佳及脆性大，為了保持石英陶瓷材料優(yōu)良的介電性能、耐熱性又提高石英陶瓷的強(qiáng)度，國內(nèi)外研究學(xué)者研發(fā)了一系列纖維/顆粒增強(qiáng)石英陶瓷材料用于導(dǎo)彈天線罩，增強(qiáng)顆粒有Si4N3、BN、Al2O3莫來石等，增強(qiáng)纖維有SiO2纖維。除此之外，還有對石英成型工藝的研究，泥漿澆注熔石英材料是極少數(shù)幾種適用于制作5馬赫數(shù)以上雷達(dá)天線罩以及導(dǎo)向緣材料之一。該工藝允許成型大而形狀復(fù)雜的制品，且材料性能分布均勻，各向同性。與其他陶瓷材料成型工藝相比，成本低，效率高，易工程化，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外第三代，第四代導(dǎo)彈天線罩上。

    雖然石英陶瓷天線罩綜合性能優(yōu)異，但是當(dāng)導(dǎo)彈飛行速度大于6.5Ｍａ時(shí)也難以滿足導(dǎo)彈天線罩穩(wěn)定性和可靠性的高要求。而陶瓷基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的綜合性能引起了廣泛關(guān)注，成為各國研究、開發(fā)高超音速導(dǎo)彈天線罩材料的熱點(diǎn)。

    陶瓷基導(dǎo)彈天線罩

    陶瓷基導(dǎo)彈天線罩材料主要包括氮化硅基、氧化硅基、磷酸鹽基材料。氮化硅基陶瓷不僅具有優(yōu)異的力學(xué)性能和很高的熱穩(wěn)定性，而且具有較低的介電常數(shù)，其分解溫度為1900℃，其抗燒蝕性能比熔融石英好，能經(jīng)受6～7Ma飛行條件下的熱振。氮化硅基陶瓷復(fù)合材料天線罩是各國研究的主要目標(biāo)之一，被美國喬治亞技術(shù)研究所的試驗(yàn)鑒定為最有希望的天線罩材料。研究者除繼續(xù)改進(jìn)反應(yīng)燒結(jié)氮化硅、熱壓燒結(jié)氮化硅、氣壓燒結(jié)氮化硅、無壓燒結(jié)氮化硅的制備技術(shù)外，在開發(fā)新型氮化硅的制備工藝技術(shù)上也進(jìn)行了大量研究。但到目前為止，有關(guān)氮化硅基陶瓷作為導(dǎo)彈天線罩的還處于研究階段。

    氧化硅基材料

    中程導(dǎo)彈天線罩由于導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)高且加熱時(shí)間相對較長，采用單一的石英陶瓷材料不能滿足熱應(yīng)力的承載要求。為發(fā)展飛行速度５Ｍａ以上的防空導(dǎo)彈，國內(nèi)采用石英陶瓷天線罩制造技術(shù)研制出增強(qiáng)型石英陶瓷天線罩，目前已應(yīng)用于某型號高速防空導(dǎo)彈。為滿足中、遠(yuǎn)程地-地戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈天線罩的需求，國內(nèi)先后研制和發(fā)展了石英玻璃、高硅氧穿刺織物和正交三向石英織物增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料，并成功應(yīng)用。

    磷酸鹽基材料

    磷酸鹽基復(fù)合材料是俄羅斯具有特色的透波材料，由布塊或織物通過磷酸鹽溶液浸漬后加壓固化而得。復(fù)合固化后的磷酸鉻（1200℃以下）及磷酸鉻鋁基復(fù)合材料（1200～1500℃）的力學(xué)性能、物理性能保持良好，電性能穩(wěn)定。磷酸鋁在1500～1800℃具有穩(wěn)定的性能。目前，這類材料在巡航導(dǎo)彈、反導(dǎo)型、戰(zhàn)術(shù)型導(dǎo)彈及航天飛機(jī)上獲得了應(yīng)用。磷酸鹽的最大缺點(diǎn)是吸濕性很強(qiáng)，需要在復(fù)合材料表面涂覆有機(jī)涂層進(jìn)行防潮處理。

    SIC陶瓷基復(fù)合材料

    SiC陶瓷基復(fù)合材料具有低密度、耐高溫、抗燒蝕、抗沖刷和抗氧化等一系列優(yōu)異的性能，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。從20世紀(jì)80年代末開始，歐美國家已研制成功一系列C/SIC、SIC/SIC陶瓷基復(fù)合材料，可應(yīng)用于導(dǎo)彈的再入鼻錐、機(jī)翼前端等防熱結(jié)構(gòu)。

    根據(jù)日本宇部新產(chǎn)公司披露數(shù)據(jù)，SiC陶瓷具有：高級別碳化硅纖維在1800攝氏度仍然可以正常工作，密度僅為高溫合金的1/3兩大絕對優(yōu)勢。全球幾家企業(yè)可以進(jìn)行SiC陶瓷量產(chǎn)，產(chǎn)能在10噸-50噸/年不等。國內(nèi)陶瓷基復(fù)合材料經(jīng)過十幾年的發(fā)展，正處在從研發(fā)到應(yīng)用的階段，一旦技術(shù)成熟，有望加速我們高端裝備行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。