導(dǎo)彈天線罩是導(dǎo)彈的關(guān)鍵零部件，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。

圖1 在導(dǎo)彈高速飛行過程中，天線罩的性能深刻影響著導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度，是導(dǎo)彈各部件中至關(guān)重要的零件

回顧導(dǎo)彈天線罩的發(fā)展歷程，可將其所用材料歸結(jié)為:纖維增強塑料→氧化鋁陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→陶瓷基復(fù)合材料，其性能需求則逐步向?qū)掝l帶、多模與精確制導(dǎo)方向發(fā)展。

圖2 2005年，俄羅斯在莫斯科高技術(shù)XXI-國際展覽會上展示的導(dǎo)彈天線罩，證明其在導(dǎo)彈陶瓷和玻璃纖維部件設(shè)計方面的能力。從左到右依次為X-35、AA-12蝰蛇、X-31、48H6、3M-14導(dǎo)彈的天線罩。其材料包括玻璃陶瓷、玻璃纖維和石英陶瓷。

導(dǎo)彈在飛行過程中，天線罩既要承受氣動加熱和機械過載，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，其具體性能要求如表1所示。

表1 導(dǎo)彈天線罩性能要求

在這之中，氮化硅系列陶瓷由于其突出的透波性能、介電性能和力學(xué)性能，成為高性能導(dǎo)彈天線罩材料的理想之選。表2是部分天線罩材料性能對比，HPSN熱壓氮化硅力學(xué)性能顯著高于其它幾類陶瓷，彈性模量略低于最高的99％氧化鋁，熱膨脹系數(shù)低，抗雨蝕能力很好。

表2 部分天線罩材料性能對比（表格來源：氮化物陶瓷系高溫透波材料的研究進(jìn)展）

美國波音公司在上世紀(jì)80年代開發(fā)出了“可控密度氮化硅”制備技術(shù)。這種工藝采用孔道形成法，在氮化硅粉末本體中制作內(nèi)嵌孔道，制備出低密度氮化硅層，并在粉末壓制成型后出去孔道形成多孔氮化硅壓縮體。最后在氫氣-氮氣氛圍中燒結(jié)形成氮化硅多孔陶瓷。這種材料以α-氮化硅為主，隨著α-氮化硅晶須的密集生長，氮化硅的芯體形成多孔的柱狀晶體互連，由此形成多孔壁結(jié)構(gòu)。通過控制孔隙率，可以改變材料的密度，從而控制材料的介電性能。在此基礎(chǔ)上，波音公司通過過反應(yīng)燒結(jié)制備出以氮化硅和氮氧化硅為主相的氮化物多孔復(fù)合陶瓷透波材料，成功研制出了多倍寬頻帶天線罩。

通過可控密度方法，制備電氣性能與力學(xué)性能更加優(yōu)良的天線罩，這個思路延用至今。例如，2009年，一項美國專利提出可以制備出一種芯層為低密度氮化硅材料，外層為高密度氮化硅材料的寬帶天線罩。其中外層高密度氮化硅采用RBSN（Reaction bonded silicon nitrde）方法制備。天線罩尖端和根部的密度高于其它區(qū)域，通過局部增大密度的方法提高了天線罩的抗雨蝕和抵抗氣動力的能力。

國內(nèi)對于氮化硅天線罩的研究起步較晚，近些年出現(xiàn)的研究成果基本沿用了波音公司早期通過改變孔隙率，改變密度，再影響電氣性能的思路。但是在這基礎(chǔ)上，也充分利用了氮化硼、碳化硅等其它成分陶瓷材料，對氮化硅陶瓷電氣性能、力學(xué)性能進(jìn)行充分改性優(yōu)化。

例如，2014年，江蘇太倉派歐公司的發(fā)明專利“一種透波Si3N4天線罩材料及其制備方法”中，提出以低密度多孔氮化硅為芯層，氮化硅與氮化硼短切纖維或晶須作為芯層增強相，致密化氮化硅為表面涂層的天線罩。其工藝是將硅粉與氮化硅以及氮化硼短切纖維混合造粒后與成孔劑按一定比例混合均勻，模壓成一定形狀坯體，在200-300℃下使成孔劑完全分解，得到多孔坯體。然后進(jìn)行氮化處理得到短切纖維增強的多孔氮化硅陶瓷體，超聲波清洗后烘干。最后通過化學(xué)氣相沉積在多孔氮化硅瓷體表面，涂覆致密的氮化硅涂層。

圖3 正在修磨加工的陶瓷天線罩，可以看到天線罩形狀近似一個回轉(zhuǎn)拋物面的薄壁結(jié)構(gòu)，通過修磨天線罩體的幾何厚度，不僅可以消除半精加工中的尺寸偏差，還可以修正由于其介電常數(shù)的不均勻分布造成的電厚度誤差

2018年，山東工業(yè)陶瓷設(shè)計研究院在專利“介電常數(shù)可調(diào)控的輕質(zhì)氮化硅天線罩及其制備方法”中，采用氮化硅（70％-95％）、碳化硅、造孔劑和稀土氧化物粉體混合，利用冷等靜壓方法，通過控制成型壓力和造孔劑含量，實現(xiàn)氮化硅素坯密度控制。此外，添加的高介電組分的碳化硅粉體含量可以對其電氣性能、力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控，這是因為將制備完成后的陶瓷，在氧化氣氛下進(jìn)行熱處理，碳化硅表面將產(chǎn)生氧化硅，可使材料介電常數(shù)大幅提升，介電損耗小幅變化。

綜合來看，可控密度氮化硅的研究，充分?jǐn)U寬了氮化硅陶瓷物理性能的范圍，這對于應(yīng)用在海陸空各類復(fù)雜環(huán)境的導(dǎo)彈天線罩非常重要。

表3 可控密度氮化硅與其它天線罩材料性能對比

（表格來源：可控密度氮化硅在導(dǎo)彈天線罩上的應(yīng)用）

未來導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)展將對導(dǎo)彈天線罩提出更高的要求。防空導(dǎo)彈的速度和機動能力大大提高，要求天線罩必須在更高的工作溫度和更惡劣的環(huán)境中，承受更大的負(fù)載力和熱強度，并有更好的傳輸特性和更低的瞄準(zhǔn)誤差。這對于以氮化硅陶瓷為代表的天線罩材料的發(fā)展，即是挑戰(zhàn)，更是機遇。

參考文獻(xiàn)

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一種透波氮化硅天線罩材料及其制備方法，太倉派歐技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，陳昭峰，余盛杰。

介電常數(shù)可調(diào)控的輕質(zhì)氮化硅天線罩及其制備方法，山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院有限公司，王洪升，張萍萍，朱保鑫，韋其紅，欒強，蓋瑩，溫廣武。

高性能氮化物透波材料的設(shè)計、制備及特性研究，武漢理工大學(xué)，張偉儒。

By：火宣