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夹层结构天线罩材料的设计、制备及其宽频透波性能

作　者: 闫法强
导　师: 张联盟
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 天线罩材料 夹层结构 宽频透波率 多孔熔融石英 磷酸锆 Si-B-O-N复合材料
分类号: TJ760
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


导弹天线罩是保护导弹导引头天线在恶劣的环境下能正常工作的一种装置，其性能直接影响导弹的制导精度。为了提高制导系统和电子设备抗干扰能力，发展反辐射弹头、突防电子干扰等高性能导弹弹头，要求天线罩具有宽频透波特性，需要覆盖一个或者数个波段的频带。已有的研究结果表明，具有宽频高透波性能的天线罩罩壁结构主要有薄壁结构、夹层结构和多层结构。其中夹层结构（包括由高介电常数和低介电常数材料相间组成的A-夹层和B-夹层结构）是本文重点研究的天线罩罩壁结构。依据天线罩电性能的要求，利用电磁波的多次透射和反射理论，建立了夹层结构天线罩平板材料透波率的计算方法，并对夹层结构天线罩材料的各层物性参数和结构参数进行了优化设计，确定了在1～18GHz范围内满足高透波率的A-夹层结构的最优介电性能和厚度。设计结果表明，当芯层材料的介电常数为2～2.5，表层材料介电常数为5～7，表层与芯层的厚度比为1：15，整体厚度为6mm时，材料在1～4GHz，9～15GHz频率范围内透波率大于90％。根据天线罩宽频透波率的优化设计结果，考虑到作为天线罩材料需要同时满足力学和热学性能等的要求，确定了夹层结构天线罩材料中低介电常数材料体系为熔融石英多孔陶瓷，高介电常数材料体系为磷酸锆陶瓷和Si-B-O-N体系陶瓷复合材料。采用动态注凝成型技术，调配适合原位凝胶化的熔融石英陶瓷料浆，选择合适的烧结温度，合理控制料浆中有机物和水的含量，制备了熔融石英多孔陶瓷材料，研究了在多孔石英表面喷涂封孔涂层的工艺及封孔涂层对材料介电性能和力学性能的影响。结果表明，较为适宜的料浆凝胶化条件是：pH值为4，单体加入量为1～5wt.％，引发剂加入量为0.1wt.％，凝胶化的温度为60～80℃，表面活性剂的加入量为1.2wt.％。料浆中有机物和溶剂对材料孔隙率的影响较大而烧结温度对材料孔隙率的影响较小，通过合理控制浆料中各组分的含量和烧结温度，可以制备出孔隙率可控且孔隙率为5～33％、抗弯强度为20～65MPa、介电常数为2～3.4的多孔石英陶瓷材料。采用溶胶—凝胶工艺制备的封孔涂层具有优良的防潮、耐温、透波性能。封孔涂层对多孔SiO2材料的介电性能影响很小，在经历高温、泡水等恶劣环境后，介电常数ε变化小于0.09，介电损耗tgδ的变化小于5×10-3。研究了磷酸锆粉体的合成与磷酸锆陶瓷的常压烧结制备工艺。结果表明，ZrP2O7粉体在1500℃之前具有较好的热稳定性。选择MgO作为烧结助剂，常压烧结制备得到密度为2.8～2.98g／cm3的ZrP2O7陶瓷材料。当烧结温度超过1250℃以后，试样密度随温度的变化不大，随着MgO含量的增加，ZrP2O7陶瓷的密度和抗弯强度先增大后减小，抗弯强度最高达到126MPa，ZrP2O7陶瓷的介电常数为6～8.5且介电损耗小于10×10-3。采用气压烧结技术，控制BN和SiO2纳米粉体的含量，研究了Si-B-O-N陶瓷复合材料的制备工艺并对材料的力学性能、抗热震性能、抗烧蚀性能和介电性能进行了评价。研究表明，BN粉体的加入可以提高Si3N4／BN复合材料的断裂韧性、抗热震性能和介电性能，同时也降低了复合材料的致密度和抗弯强度。添加SiO2纳米粉体并且当SiO2添加量为5wt．％时，可以得到致密度、抗弯强度和断裂韧性更高的复合材料，含有20wt．％BN和5wt．％SiO2纳米粉体的Si3N4／BN／SiO2（n）复合材料介电常数为4.3～5.9且介电常数是可控的，介电损耗均小于10×10-3。Si3N4/BN/SiO2（n）复合材料试片的抗烧蚀性能试验表明，其烧蚀速率仅为0.042mm／s。采用磷酸盐粘结技术将满足介电性能和壁厚设计的单层平板天线罩材料粘结起来，制备了ZrP2O7／SiO2／ZrP2O7体系A-夹层结构和SiO2／Si3N4-BN-SiO2（n）／SiO2体系B-夹层结构平板天线罩材料，研究了结合层对基体介电性能的影响，并对其宽频透波性能进行了测试。结果表明，磷酸盐结合层与基体界面结构稳定，对石英基体材料的介电性能几乎没有影响。A-夹层结构平板材料在2～5GHz和9～12GHz频带范围内，透波率大于90％，B-夹层结构平板材料在3～6GHz和11～17GHz频带范围内，透波率大于90％，且实测结果与理论计算结果比较吻合。采用冷等静压成型、低应力冷加工技术，分别得到满足外型要求和壁厚设计的单层天线罩体，通过磷酸盐粘结技术，制备了ZrP2O7／SiO2／ZrP2O7体系A-夹层天线罩体和SiO2／Si3N4-BN-SiO2（n）／SiO2体系B-夹层天线罩体，对其宽频透波性能进行了测试。结果表明，经过修磨加工后的天线罩体，表面状况和整体外观结构良好。A-夹层结构天线罩体在3～4GHz和7～8GHz频带范围内，透波率大于90％；B-夹层结构天线罩体在5～6GHz和13～14GHz频带范围内，透波率大于90％。

全文目录


摘要  5-8
ABSTRACT  8-15
第1章 前言  15-30
  1.1 天线罩材料的选择标准  15-16
  1.2 陶瓷基天线罩材料的研究进展  16-25
    1.2.1 氧化铝陶瓷  17
    1.2.2 微晶玻璃  17-18
    1.2.3 磷酸盐陶瓷材料  18-19
    1.2.4 石英陶瓷材料  19-21
    1.2.5 石英陶瓷复合材料  21-23
    1.2.6 氮化物材料  23-25
  1.3 宽频陶瓷天线罩材料  25-27
  1.4 论文工作的提出和主要研究内容  27-30
第2章 夹层结构陶瓷天线罩材料的电性能设计  30-50
  2.1 引言  30
  2.2 天线罩材料电性能设计  30-31
    2.2.1 天线罩电性能设计的主要内容  30-31
    2.2.2 天线罩电性能设计的假设条件  31
  2.3 天线罩材料电性能设计中相关参数的计算方法  31-42
    2.3.1 传播因子的计算方法  31-34
    2.3.2 等效折射率的计算方法  34-37
    2.3.3 介质间界面反射与传输的计算方法  37-39
    2.3.4 单层结构平板材料透波率的计算方法  39-41
    2.3.5 夹层结构平板材料透波率的计算方法  41-42
  2.4 夹层结构天线罩材料的计算与结果分析  42-49
    2.4.1 夹层结构的数学模型  42-43
    2.4.2 A-夹层结构透波率的计算结果及结构优化  43-49
      2.4.2.1 A-夹层结构芯层厚度对透波率的影响  43-45
      2.4.2.2 A-夹层结构芯层介电常数对透波率的影响  45
      2.4.2.3 A-夹层结构整体厚度对透波率的影响  45-47
      2.4.2.4 A-夹层结构表层与芯层层厚比对透波率的影响  47
      2.4.2.5 A-夹层结构高介电常数层材料的介电常数对透波率的影响  47-49
  2.5 小结  49-50
第3章 低介电常数SiO_2基多孔陶瓷材料及其封孔涂层的制备  50-78
  3.1 引言  50
  3.2 SiO_2基多孔陶瓷材料的制备  50-69
    3.2.1 实验与测试  50-56
      3.2.1.1 实验原料  50-52
      3.2.1.2 熔融石英料浆的组成与配制  52-53
      3.2.1.3 动态注凝成型技术  53-54
      3.2.1.4 坯体的干燥  54
      3.2.1.5 坯体的烧成  54-56
      3.2.1.6 测试  56
    3.2.2 结果与讨论  56-69
      3.2.2.1 石英料浆的性能分析  56-62
        3.2.2.1.1 pH值对料浆性能的影响  56-58
        3.2.2.1.2 固相含量对料浆粘度及复合材料性能的影响  58-59
        3.2.2.1.3 影响料浆凝胶化的因素  59-61
        3.2.2.1.4 表面活性剂对石英料浆性能的影响  61-62
      3.2.2.2 注凝成型工艺参数对生坯密度的影响  62-63
      3.2.2.3 熔融石英析晶温度的计算及其烧结温度的确定  63-65
      3.2.2.4 SiO_2基多孔陶瓷材料孔隙率的控制  65-67
      3.2.2.5 SiO_2基多孔陶瓷材料的力学性能  67-68
      3.2.2.6 SiO_2基多孔陶瓷材料的介电性能  68-69
  3.3 SiO_2基多孔陶瓷材料封孔涂层的制备  69-76
    3.3.1 实验与测试  69-71
      3.3.1.1 实验原料  69-70
      3.3.1.2 喷涂工艺制备封孔涂层  70-71
        3.3.1.2.1 封孔涂层的制备  70
        3.3.1.2.2 喷涂工艺  70-71
      3.3.1.3 测试  71
    3.3.2 结果与讨论  71-76
      3.3.2.1 封孔涂层的显微结构和吸水率的变化  71-72
      3.3.2.2 封孔涂层的瞬时耐高温性能  72-73
      3.3.2.3 封孔涂层对复合材料力学性能的影响  73
      3.3.2.4 封孔涂层对复合材料介电性能的影响  73-76
  3.4 小结  76-78
第4章 高介电常数磷酸锆陶瓷、Si-B-O-N陶瓷复合材料的制备  78-111
  4.1 引言  78-79
  4.2 磷酸锆陶瓷材料的制备  79-90
    4.2.1 实验与测试  79-81
      4.2.1.1 实验原料  79
      4.2.1.2 磷酸锆粉体的合成  79
      4.2.1.3 磷酸锆陶瓷的常压烧结  79-80
      4.2.1.4 测试  80-81
    4.2.2 结果与讨论  81-90
      4.2.2.1 ZrP_2O_7粉体的合成过程分析  81-82
      4.2.2.2 ZrP_2O_7粉体的热稳定性  82
      4.2.2.3 ZrP_2O_7的烧结密度与显微结构  82-84
      4.2.2.4 ZrP_2O_7的烧结致密化机理  84-87
      4.2.2.5 ZrP_2O_7陶瓷的力学性能  87-88
      4.2.2.6 ZrP_2O_7陶瓷的介电性能  88-90
  4.3 Si-B-O-N体系陶瓷复合材料的制备  90-109
    4.3.1 实验与测试  90-94
      4.3.1.1 原材料  90-91
      4.3.1.2 实验设计与工艺流程  91-93
      4.3.1.3 测试  93-94
    4.3.2 结果与讨论  94-109
      4.3.2.1 Si_3N_4/BN复合材料的烧结密度与显微结构  94-97
      4.3.2.2 Si_3N_4/BN复合材料的力学性能  97-99
      4.3.2.3 Si_3N_4/BN复合材料的抗热震性能  99-100
      4.3.2.4 Si_3N_4/BN复合材料的介电性能  100-101
      4.3.2.5 Si_3N_4/BN/SiO_2(n)复合材料的烧结密度与显微结构  101-104
      4.3.2.6 Si_3N_4/BN/SiO_2(n)复合材料的力学性能  104-106
      4.3.2.7 Si_3N_4/BN/SiO_2(n)复合材料的介电性能  106-107
      4.3.2.8 Si_3N_4/BN/SiO_2(n)复合材料的烧蚀性能  107-109
  4.4 小结  109-111
第5章 夹层结构陶瓷天线罩材料、罩体的制备及其宽频透波性能  111-126
  5.1 引言  111
  5.2 实验与测试  111-115
    5.2.1 夹层结构各层材料的制备与基本物性  111-112
    5.2.2 平板夹层结构的实现与工艺流程  112
    5.2.3 单壁天线罩体的成型  112-113
    5.2.4 单壁天线罩体的烧结与冷加工  113-114
    5.2.5 夹层结构天线罩体的实现  114
    5.2.6 测试  114-115
  5.3 结果与讨论  115-125
    5.3.1 磷酸盐粘结剂与石英基体的拉剪强度  115-116
    5.3.2 磷酸盐结合层的显微结构  116-117
    5.3.3 磷酸盐结合层对石英基体介电性能的影响  117-118
    5.3.4 夹层结构平板材料的宽频透波性能  118-121
    5.3.5 天线罩体测量、修磨的控制方法  121-124
    5.3.6 夹层结构天线罩体的宽频透波性能  124-125
  5.4 小结  125-126
第6章 结论  126-128
参考文献  128-135
攻读博士期间发表和待发表的学术论文目录  135-136
致谢  136

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中图分类: > 工业技术 > 武器工业 > 火箭、导弹 > 导弹 > 一般性问题
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