二氧化硅体系透波材料的透波机理及研究现状.docx

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二氧化硅体系透波材料的透波机理及研究现状

二氧化硅体系透波材料的透波机理及研究现状

　　摘要本文阐述了天线罩材料对二氧化硅体系透波材料的性能要求，分析了二氧化硅体系透波材料的透波机理，论述了二氧化硅体系透波材料的研究现状，并指出了其发展方向。

　　关键词透波材料，透波机理，天线罩，二氧化硅体系

　　1引言

　　微波透波材料[1]是指对波长在1～1000mm，频率在0.3～300GHz范围的电磁波的透过率大于70%的材料。

这种材料可用于制作雷达天线罩，也可用作高能陀螺仪的窗口材料、一些诊疗仪器的透波材料以及用于微波通讯设施中[2]。

本文主要介绍二氧化硅体系透波材料的透波机理以及在导弹雷达天线罩中的应用。

雷达（包括地面雷达、移动雷达和导弹雷达）天线罩作为制导武器系统的重要组成部分，首当其冲面临着高技术、高性能的严峻挑战[3]。

微波透波材料属结构-防热-透波一体化的功能材料，涉及多学科专业和设计、材料、功能、性能检测等系统工程[4]。

美、俄、德、英等国对此进行了深入的研究和应用。

随着航空航天技术的进步，二氧化硅体系天线罩材料获得了很大的发展。

　　2透波材料的性能要求[5]

　　天线罩的性能依赖于所选择的材料。

反之，在天线罩的研制过程中需根据天线罩的工作环境和性能来确定在性能上对材料的要求。

　　材料的介电性能（介电常数ε和损耗角正切值tanδ）是选择天线罩材料的主要依据[6]。

具体来讲，首先要考察材料的传输系数，此为关键参数，它主要受材料的介电常数ε和损耗角正切值tanδ制约。

制导系统中，天线罩的传输效率和瞄准误差特性十分敏感地依赖材料的介电性能及它们与温度、频率等的关系。

介质损耗角越大，电磁波在透过材料时所损耗的能量就越多。

介电常数越大，则电磁波在空气与天线罩的分界面上的反射越大，降低了信号的传播效率。

因此要求天线罩材料的损耗角正切值很低，介电常数也尽可能低，以获得较高的传输系数和较宽的壁厚容差，从而可增加罩壁厚度，提高结构强度，改善加工性能。

一般情况下，在0.3～300GHz频率范围内，透波材料的适宜ε值为1～4，tanδ为10-3～10-2数量级，这样才能获得较理想的透波性能和较小的损失。

　　导弹的高马赫数使天线罩的瞬时加热速率高达120℃/s以上，因此要求材料具有良好的抗热冲击性能。

材料的热膨胀系数用来衡量材料的耐热冲击性能。

另外，材料还必须具有耐高温性，包括升高温度时材料分子结构稳定，材料特性（如介电性能、机械性能）变化不大，以保证在最高温度时天线罩能正常工作。

　　材料的力学性能，如抗冲击强度直接关系到材料的耐雨蚀、耐砂蚀能力。

飞行中的天线罩承受着由空气动力和纵向或横向加速度引起的机械应力，要求天线罩材料在满足对其耐热性能和介电性能要求的同时，必须具有足够的机械强度和适当的弹性模量。

　　此外，材料的密度也是一个重要的性能参数，较低的材料密度，可以获得较高的启动速度，同时还可以减小重量。

　　3二氧化硅体系透波材料的透波机理

　　材料的透波性能与材料的化学组成、微观结构以及环境条件等因素有关。

　　3.1介电常数ε的机理

　　透波材料一般为电介质材料。

电介质材料由许多一端带正电，另一端带负电的分子（或偶极子）组成。

一般情况下，介质内的偶极子做杂乱无章的热运动，因此分子的排列毫无规则，当介质材料处于直流电场中时，介质内部的偶极子在电场的作用下重新排列，即带正电的一端趋向于负极，使杂乱运动的毫无规则的偶极子，变成了有一定取向的有规则排列的极化分子，即介质在外加电场作用下有极化现象，介质极化产生的束缚电荷有自己的电场，这个电场的方向与外加电场的方向相反，因而削弱了外电场。

对于不同的介质，极化越厉害，合成电场就越弱，此时，介质的介电常数ε越大。

所以，介电常数ε是标志介质极化难易程度的一个物理量，它反映了介质对外电场反作用的强弱。

　　3.1.1介质总极化的分类

　　介质的总极化一般包括三个部分：

电子极化、离子极化和偶极子转向极化。

这些极化的基本形式又分为两种：

第一种是位移式极化。

这是一种弹性的、瞬间完成的极化，不消耗能量，电子极化和离子极化都属于这种情况；第二种是松驰极化，这种极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗了一定的能量，偶极子转向极化即属于这种情况。

　　3.1.2各种极化产生的条件

　　电子极化是由于在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移产生偶极矩；离子极化是由于弱联系离子在平衡范围附近发生相对位移而产生偶极矩；而偶极子转向极化是由具有永久电偶极矩的诸分子所产生，它们的电偶极矩在外加电场中可以改变其取向。

　　3.2损耗角δ的机理

　　如果把电介质放在交变电场中，则电介质在交变电场的作用下被反复极化，外电场的变化越快（即频率越高），偶极子反复极化的运动也越剧烈，从电磁场所得到的能量也越多。

它里面的束缚电荷将在小范围内发生迅速的振动或转动，形成交变电流。

这种电流不同于自由电荷的运动形成的传导电流，叫做位移电流。

如果束缚电荷的位移能够迅速跟上电场的变化而达到同相时，那么束缚电荷将在半个周期内从电场中取得能量，在另半个周期内又将能量送回电场。

从电路的角度来分析，此时的位移电流将超前高频电压π/2的相角，因而完全是电抗性的无功电流。

但实际上束缚电荷在介质内剧烈运动的同时又在相互作用，并受到周围介质的摩擦阻力，所以在电场中取得的能量不可能全部交回给电场，其位移也跟不上电场变化的速度，此时位移电流超前高频电压的相位角达不到π/2，而是比π/2要小一个角度δ。

这样，位移电流就有了有功分量，由此可见，角度δ的大小与介质吸收电能转变为自身内能的程度有密切关系，所以把δ叫做损耗角。

　　介质损耗主要有松驰极化损耗、电导损耗及结构损耗等形式。

在极化过程中，束缚电荷由于与周围介质不断发生摩擦而消耗掉一部分能量，此即为松驰极化损耗；由于电介质不是理想的绝缘体，不可避免地存在一些弱联系的导电载流子，在外电场作用下定向漂移，从而形成小的传导电流，这些传导电流以热的形式消耗掉，即为电导损耗；还有一类和介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗称为结构损耗。

　　3.3ε、tanδ和频率的关系

　　介质在交变电场中通常发生弛豫现象，介质放在外电场的作用之中，从开始的瞬间到极化稳定状态的建立需要一定的时间，这个时间称为极化的弛豫时间，位移极化为10-15～10-12秒，而转向极化为10-5～10-3秒。

　　介电常数ε以及损耗角正切tanδ和入射微波的频率是有关系的，它们随频率的变化关系总趋势是：

频率升高时，ε降低，损耗角正切值tanδ随着频率的升高呈波动式变化，tanδ值最大点与ε值下降的区域相对应。

具体来说：

当入射波频率很低时，ω→0，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值，介电损耗主要由漏导引起；当外加电场频率逐渐升高时，转向极化在某一频率开始跟不上外加电场的变化，转向极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而ε随ω升高而减小。

在这一频率范围内，tanδ随着ω的升高而增大，当频率很高时，ε→ε∞，介电常数仅由位移极化决定。

此时，tanδ随着ω的升高而减小。

　　3.4ε、tanδ和温度的关系

　　温度对松驰极化产生影响，因而ε和tanδ在不同的温度下也是不同的。

一般来说：

当温度很低时，弛豫时间Τ较大，ωΤ＞＞1，分子热运动很弱，ε主要由快极化提供，在一段温度变化范围内变化不大；随着温度Τ的升高，分子的热运动加强，削弱了物质的结构力。

所以，在外电场的作用下，介质比较容易被极化，ε呈指数式规律上升，且热运动越强，对极化越有利。

在此温度范围内，Τ减小，tanδ也减小；但当温度升高到一定数值时，再继续升温，ε值反而有下降的趋势。

这是因为，此时的热运动占据了主导地位，反而削弱了外电场的作用，定向极化发生困难，因此ε值急剧下降。

但由于此时电导损耗剧烈上升，tanδ也随温度上升，并呈指数规律急剧上升。

故对一定物质来说，有一个ε（Τ）最大的区域。

　　4二氧化硅体系透波材料的研究现状

　　二氧化硅体系透波材料主要包括石英玻璃、石英陶瓷材料与硅质纤维织物增强二氧化硅基复合材料。

　　4.1国外研究现状

　　熔融石英陶瓷是美国Georgia理工学院在20世纪60年代研制出的一种材料。

它是以石英玻璃碎料为原料，按陶瓷工艺生产的一种非晶态产品。

它既保留了石英玻璃的诸多优点，又因为可采用陶瓷的一系列生产工艺，所以可制成各种复杂的外形，产品广泛应用在玻璃、冶金、航空航天等领域。

熔融石英陶瓷是高速高空导弹天线罩的一种优良材料。

国外不同型号、不同空域的导弹，如美国的“爱国者”、“潘兴”Ⅱ号及意大利的“Aspide”导弹、美国陆军“Sam-D”导弹的天线罩均使用熔融石英陶瓷[9]。

这种材料与其它天线罩材料相比有下列优点：

（1）极小的线膨胀系数（约0.5×10-6K-1），较好的抗热冲击性能；

（2）低的介电常数（3.0～3.5）和损耗角正切（小于0.0004），且随温度变化小；（3）导热系数小，热防护能力好；（4）强度随温度的升高而升高；（5）制造工艺相对来说较简单，成本较低。

熔融石英陶瓷导弹天线罩的缺点是力学性能不佳，强度较低（45～70MPa），断裂韧性较低（约1MPa?

m1/2），抗雨蚀性较差，易吸潮，不适合用在马赫数在5以上的导弹上。

　　为保持石英陶瓷材料的优点，同时克服其力学和抗侵蚀性能低等缺点，在70～80年代，以中远程导弹天线窗为应用背景，美国GeneralElectric和Philco-Ford分别研制了不同结构的三维多向石英或氮化硼织物增强二氧化硅基复合材料，该材料一方面具有石英陶瓷优异的电性能，同时又具有明显好于石英陶瓷的力学性能、抗热冲击性能和抗雨蚀性能。

由于受编织技术的限制，当时难以获得大尺寸整体织物，故未能在大型天线罩上获得应用。

　　后来美国GeneralElectric和Philco-Ford[10～11]又采用无机先驱体浸渍烧成工艺，即硅溶胶（SiO2先驱体）浸渍石英织物技术并在一定温度下进行热处理，研制出3D石英纤维增强二氧化硅复合材料，牌号为AS-3DX和Markite3DQ，其中AS-3DX材料常温时ε=2.88，tanδ=0.00612（5.841GHz）。

石英纤维织物增强石英复合材料的表面熔融温度，使其与石英玻璃接近（约1735℃），是高温状态再入型透波材料的理想选择之一[12]，已用于美国“三叉戟”潜地导弹。

　　在AS-3DX基础上，美国AdvancedMaterialsDevelopmentLaboratory（AMDL）研制出4D全向高纯石英织物增强石英复合材料ADL-4D6，其工艺流程是[11]:

Astro-quartz高纯石英纤维织物（密度1.0g/cm3）经510℃除胶，再用硅烷偶联剂处理以提高材料强度和断裂应变；选用DuPont公司的低Na含量的As系列硅溶胶，经稳定化处理（pH=1）后浸渍石英织物，85℃烘干16h，再经650℃热处理4h，如此循环浸渍烧成6个周期以上，最后经机械加工和表面致密化封孔处理，得到ADL-4D6天线罩材料，其密度为1.55g/cm3，弯曲强度35MPa，断裂应变1.0%，可视为“塑性”陶瓷，ε=2.8～3.1，tanδ=0.006（250MHz）。

烧成后的二氧化硅基体为活性较高的多孔结构，易吸附水蒸气。

利用卤硅烷与基体表面的吸附水反应生成硅氧烷涂层可以起到防潮作用，但要控制卤硅烷加入量，以免高温裂解后残碳影响介电性能。

　　1997年，在美国陆军部资助下，又研制出无压烧结的SiO2纳米复合陶瓷天线罩，应用于极超音速飞行器。

该材料在25℃和1000℃下的介电常数和介电损耗分别为4.78、0.0014和5.00、0.0025，介电常数变化不到4.7%，抗弯强度190MPa，为石英陶瓷（48MPa）的4倍，硬度10440MPa，为石英陶瓷（2120～5000MPa）的2～5倍，综合性能显著优越于石英陶瓷[13]。

　　4.2国内研究现状

　　国内二氧化硅体系透波材料的研究进展与军事大国相比仍然存在较大差距。

下表列出了国内外复合材料天线罩性能水平的比较。

中科院硅酸盐研究所研制的3-3微晶玻璃是国内第一种高温天线罩材料，成功应用于超音速中低空防空导弹天线罩上。

该材料在组成上与9606微晶玻璃极为接近，性能上除介电损耗相对偏高外，其它性能与9606微晶玻璃非常相似。

我国现行使用的天线罩主要是由石英玻璃制造的。

石英玻璃由于具有良好的介电常数、突出的抗热震性能和较低的密度而被用作导弹的整流罩。

但其抗雨水冲刷能力差、吸水性强，这是由于材料不够致密，存在一定的气孔所致，且其机械性能较差（机械强度约为60MPa），难以满足飞行速度在5马赫[7]以上的高速导弹的要求。

姚俊杰等人[7～8]尝试在SiO2中添加Si3N4颗粒，由于Si3N4和SiO2在热膨胀系数上存在差异而形成的残余应力场以及高弹性模量，所以Si3N4颗粒的加入可使SiO2-Si3N4复合材料的力学性能比SiO2基体材料有很大的提高。

但是复合材料的介电常数和介电损耗随着Si3N4的增加而增加，破坏了SiO2基体材料的介电性能。

　　为发展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，在多次飞行试验中获得成功。

与俄罗斯同类材料相比，国内石英陶瓷的性能，特别是介电性能还有一定差距，目前正在进一步改进，以满足更先进型号的需求。

为满足中、远程地-地战术和战略导弹天线窗需求，国内先后研制和发展了石英玻璃材料、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，这些材料己经在多种型号上获得应用成功。

为满足精确制导中程导弹天线罩的需求，国内以高硅穿刺和三向石英天线窗材料为基础，已研究发展出整体石英织物增强二氧化硅基复合材料。

　　总之，在无机材料中，石英陶瓷材料以其优良性能不但能适用于飞行速度3～5马赫的导弹天线罩，还能满足再入环境条件下的热绝缘、抗热冲击特性要求以及雷达透明性要求。

但对于中程导弹机动飞行弹头，由于其飞行马赫数高，且加热时间相对较长（约1min），采用单一的石英陶瓷材料，不能满足热应力的承载要求。

因此，从70年代开始，俄已在几种中程精确制导导弹中淘汰石英陶瓷罩[14]，改用复合材料天线罩或复相陶瓷。

一般来说，高马赫数短时间飞行可采用硅质纤维增强二氧化硅基复合材料、含除碳剂的硅树脂基复合材料或复相陶瓷，中低马赫数长时间飞行的必须选用不碳化的陶瓷基复合材料，如织物增强磷酸盐和二氧化硅基体等。

经纤维增强后的石英陶瓷材料天线罩在电性能方面不会受到影响，材料的介电性能稳定，且强度比原来提高14%左右。

除采用纤维增强石英陶瓷外，还可采用退火、制造表面压应力层、弥散颗粒增强等方法来提高石英陶瓷天线罩的强度。

目前，可采用化学气相沉积法在石英陶瓷材料表面涂覆石英玻璃层来作为表面压应力层[9]。

　　5展望

　　二氧化硅体系透波材料具有小的介电常数，极小的线膨胀系数，较好的抗热冲击性能和很好的热防护能力等优点，但其力学性能不佳、强度较低（45～70MPa）、断裂韧性较低（约1MPa?

m1/2）、抗雨蚀性较差、易吸潮等缺点限制了它的应用，尤其是在要求高可靠性的导弹武器系统中。

如何提高它的韧性一直是各国研究的核心课题之一。

就目前研究进展来看，连续纤维增韧效果最好，它可以同时提高材料强度和抗热震性能，但是长纤维在基体中的均匀分布和界面结合的问题还没有得到很好的解决。

稳定的高频介电性能、良好的热性能、良好的力学性能和耐环境性能是新型高性能透波材料的研究重点和发展方向。

　　二氧化硅体系透波材料的发展首先缘于其军用目的，但随着科技的发展和人民生活水平的提高，其应用将进一步拓宽，会由军用转向民用，如一些天文望远镜的保护罩，一些诊疗仪器的透波窗[15]，以及用于通讯系统、彩电中心、微波塔楼、微波中继站等科技和民用设施[16]。

　　参考文献

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　　4黎义,张大海,陈英等.航天透波多功能材料研究进展[J].宇航材料工艺，2000,5:

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　　15Hughes.T.D.,RichardsS.D.,BartlettD.V.InternationalJournalofInfraredandMillimeterwaves,1994,15

（1）:

61

　　16杜耀惟.天线罩电信设计方法[M].国防工业出版社,1993

　　Microwave-transparentMechanismandRecentAchievementsofMicrowave-transparentMaterialsbySiO2System

　　HaoHongshun1FuPeng2GongLi1WangShuhai1

　　（1Dept.ofMaterialsScienceandEngineeringShandongUniversityofTechnologyZiboShandong255049

　　2Dept.ofMaterialsScienceandEngineeringLiaochengUniversityLiaochengShandong252059）

　　Abstract:

Theelementalrequirementsformicrowave-transparentmaterialsbySiO2systemwerereviewedandthemechanismofSiO2systemmicrowave-transparentmaterialswasanalyzed,andtherecentachievementsintheresearchofmicrowave-transparentmaterialsbySiO2systemwerediscussedinthispaper.

　　Keywords:

microwave-transparentmaterials，microwave-transparentmechanism，radome，SiO2system