【摘 要】
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天线罩作为无线电雷达系统的重要组成部分,同时还是飞行器的发出和接收信号的通道,在恶劣使用环境下保护飞行器的通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作,而天线罩材料的技术水平则是制约天线罩乃至飞行器发展的重要因素之一,因此天线罩材料的研究对飞行器发展有着重要的影响。未来超音速飞行的发展对天线罩用透波材料隔热性能提出了更高的要求,目前隔热透波材料主要以多孔陶瓷和气凝胶材料为主,而后者由于造价昂贵、力学性能差
【基金项目】
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国家重点研发计划“低导热、长寿命新型隔热耐火材料的研发与应用示范,2017YFB0310701”; 国家自然科学基金“植物遗态多孔结构存留、演变与轻质隔热耐火材料性能的相关性,51772221”; 湖北自然科学基金创新群体项目“功能耐火材料制备新方法及高温服役性能,2017CFA004”
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天线罩作为无线电雷达系统的重要组成部分,同时还是飞行器的发出和接收信号的通道,在恶劣使用环境下保护飞行器的通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作,而天线罩材料的技术水平则是制约天线罩乃至飞行器发展的重要因素之一,因此天线罩材料的研究对飞行器发展有着重要的影响。未来超音速飞行的发展对天线罩用透波材料隔热性能提出了更高的要求,目前隔热透波材料主要以多孔陶瓷和气凝胶材料为主,而后者由于造价昂贵、力学性能差的缺点难以大规模应用,因此研发具有耐高温隔热透波多孔陶瓷可以保护超音速飞行器在高速飞行时内部器件的安全,对于未来飞行器的发展具有重要的意义。本文以磷酸锆陶瓷为主要研究对象,其兼具低膨胀、低密度、低导热、良好的介电性能和耐高温等优点,因此磷酸锆陶瓷是理想的透波材料基体,并在隔热透波材料上具有潜在的应用。在此基础上沿着“复相增强和轻质多孔陶瓷制备”的研究思路,系统研究了磷酸锆陶瓷物相转化与显微结构演变及其与性能变化的关系,并制备了磷酸锆基泡沫陶瓷,并通过COMSOL Multiphysics和CST studio suite有限元软件对材料进行热导率和电磁仿真。通过分析制得材料的结构与性能,得出如下结论:（1）以氧化锆和磷酸二氢铵为原料,通过固相法制备了磷酸锆粉体,探明了磷酸锆的合成机理属于三维扩散,制得的磷酸锆晶粒可达nm级别。以磷酸锆粉体制备的纯相磷酸锆陶瓷热导率为0.247～0.435W/（m·K）、热膨胀系数400℃后低于2×10-6K-1并且难以烧结。（2）针对磷酸锆陶瓷难以烧结的问题,在磷酸锆陶瓷中添加常用的烧结助剂Mg O,同时引入CeO2制备ZrP2O7-CePO4复相陶瓷。引入的CeO2会以Ce4+的形式与ZrP2O7形成有限置换型固溶体,同时有复相CePO4的生成可以抑制ZrP2O7颗粒的长大。过高的热处理温度会导致样品过烧产生缺陷,降低材料的力学性能;添加少量的Mg O即可使样品达到致密化,过量的Mg O加入量也将导致ZrP2O7颗粒长大使得力学性能降低。借助COMSOL Multiphysics软件对样品的热导率进行了预测,具有较好的可靠性。（3）采用直接发泡法成功制备了ZrP2O7泡沫陶瓷和ZrP2O7-CePO4复合泡沫陶瓷。通过控制工艺参数可以对泡沫陶瓷的结构与性能进行调控。随着气孔率的上升,平均孔径增加,稳泡剂CMC的加入可以有效提高泡沫陶瓷的力学性能。升高热处理温度可以促进ZrP2O7-CePO4复合泡沫陶瓷孔筋处的致密化程度,进而有效提高试样的强度。制得的ZrP2O7基泡沫陶瓷具有优异的隔热效率,具有高温隔热材料的潜在应用。（4）引入CeO2使得ZrP2O7陶瓷介电常数提高,介电损耗降低,添加前后的样品在7-18GHz下介电性能都较为稳定。通过CST studio suite电磁全波仿真软件和电磁测试证明了引入CeO2对于电磁性能影响不大,ZrP2O7陶瓷样品对于天线具有聚焦和增益的作用,在大多数频段下满足透波率大于80%,具有良好的宽频透波性能。
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