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前言
雷達(dá)天線罩是制導(dǎo)武器彈頭的重要組成部分，也是保護(hù)天線系統(tǒng)不受高速飛行造成的惡劣氣動(dòng)環(huán)境影響、正常進(jìn)行信號(hào)傳輸工作的屏障，是一種集透波、防熱、承載和抗蝕等多功能于一體的部件。近年來，國內(nèi)外的高馬赫數(shù)彈頭雷達(dá)天線罩材料多采用石英纖維織物作為透波復(fù)合材料的增強(qiáng)相。
對(duì)于導(dǎo)彈天線罩材料，能夠同時(shí)滿足力學(xué)、熱學(xué)、介電等性能方面要求的是陶瓷基復(fù)合材料體系。就力學(xué)性能而言，連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料不僅能極大程度地改善陶瓷材料的脆性，提高其力學(xué)性能，還能夠有效地提高天線罩的結(jié)構(gòu)可靠性、抗熱沖擊性能。再從介電性能、工藝成本等方面綜合考慮，石英纖維、BN纖維是連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基透波復(fù)合材料的增強(qiáng)體較為理想的選擇。其中，石英纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料是目前最常見的透波復(fù)合材料。
石英纖維的性能特點(diǎn)
石英纖維是一種高性能無機(jī)纖維，制備原料為高純度二氧化硅或天然的石英晶體。它保持了固體石英的部分性能和特點(diǎn)，是一種良好的耐高溫材料，并可作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體。石英纖維的純度很高(≥99.9%)，這使得其具備一些良好的特性，如抗燒蝕性強(qiáng)、耐溫性好、導(dǎo)熱率低，且其化學(xué)穩(wěn)定性高，介電性能也較為優(yōu)良。
典型石英纖維的性能參數(shù)
石英纖維具備良好的綜合性能，能夠用于制備多種復(fù)合材料。在制備透波材料時(shí)，由于石英纖維的介電常數(shù)及損耗角正切都比較低，往往被用作復(fù)合材料的增強(qiáng)體。此外，隨溫度的升高，其彈性模量相應(yīng)增加，因而確保了透波材料在具有較高的透波率的同時(shí)，力學(xué)性能不致大幅下降。
與石英纖維復(fù)合的陶瓷基體材料
陶瓷材料的工作溫度高、抗燒蝕、性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、且具有適宜的介電性能，與石英纖維復(fù)合可以制備出適合高溫高馬赫飛行的透波材料，因而越來越受到人們的重視。
氧化鋁
氧化鋁是最早應(yīng)用于透波領(lǐng)域的陶瓷材料，它的室溫和高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、硬度大、抗雨蝕和抗粒子性能好。采用石英纖維增強(qiáng)氧化鋁陶瓷，不僅可以顯著改善氧化鋁陶瓷的脆性，還可以獲得較好的抗熱沖擊性。但是，由于氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)始終偏高且隨溫度的變化過大，因而只適用于Ma<３的導(dǎo)彈。
二氧化硅
二氧化硅的密度�。�2.2ｇ/cm３），熱膨脹系數(shù)�。�0.5×10-6Ｋ），ε和tanδ值小，且隨頻率和溫度的變化不大，抗熱沖擊性和環(huán)境穩(wěn)定性優(yōu)良，其缺點(diǎn)是易吸潮、抗燒蝕性能差、使用溫度限于1800℃。采用石英纖維增強(qiáng)二氧化硅材料，既保留了基體的優(yōu)良特性，又通過纖維增韌提高了強(qiáng)度、減小了密度。石英纖維或織物增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能成功地應(yīng)用于Ma>５的導(dǎo)彈天線罩材料。
氮化物
選作石英纖維透波材料的氮化物基體主要是氮化硅和氮化硼材料，它們共同的特點(diǎn)是熱穩(wěn)定性好，抗燒蝕性能優(yōu)異，能經(jīng)受Ｍａ＝6～7飛行條件下的熱震。但是，氮化硅的相對(duì)介電性能偏高，而氮化硼易吸潮和氧化，而且工藝上也難以成型大尺寸構(gòu)件。因此，對(duì)氮化物的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，沒有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。
磷酸鹽
石英纖維增強(qiáng)磷酸鹽透波材料主要是指石英纖維增強(qiáng)磷酸鋁、磷酸鉻、磷酸鉻鋁等復(fù)合材料。磷酸鹽材料具有良好的力學(xué)、物理和電性能，一直是俄羅斯透波材料的研究重點(diǎn)。俄羅斯經(jīng)過長期的研究，對(duì)各種磷酸鹽的結(jié)構(gòu)、性能及工藝有較全面的了解，其制備的纖維增強(qiáng)磷酸鹽材料已廣泛應(yīng)用于巡航導(dǎo)彈、反導(dǎo)型和戰(zhàn)術(shù)型導(dǎo)彈及航天飛機(jī)上。
石英纖維的生產(chǎn)現(xiàn)狀
石英纖維的生產(chǎn)最初源于法國，隨后，美日英俄等國也形成了規(guī)模化的生產(chǎn)。石英纖維品種繁多，如短切纖維、針織物、布、帶、無捻粗紗、紗、棉等。國內(nèi)最早開始生產(chǎn)石英纖維的是湖北菲利華石英玻璃股份有限公司，是全球少數(shù)幾家具有石英纖維批量生產(chǎn)能力的制造商，中國航空航天等國防軍工領(lǐng)域唯一的石英纖維供應(yīng)商。目前，該公司已研發(fā)出多種石英纖維產(chǎn)品，包括石英纖維紗、超細(xì)石英纖維絲、定長石英纖維絲、石英纖維棉、石英纖維布等。
石英纖維及制品
（圖片來源：湖北菲利華石英玻璃股份有限公司官網(wǎng)）
石英纖維的制備方法
石英纖維所用的原料是高純二氧化硅或天然石英晶體，其熔點(diǎn)很高（可達(dá)1700多℃）。因此，石英纖維制備方法具有特殊性，目前主要包括直接熔融拉絲法和棒拉絲法兩種方法，這里以棒拉絲法為例，簡要介紹其制備工藝流程和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，
石英纖維的棒拉絲法制備工藝流程
首先將原料水晶或純凈的二氧化硅粉料放入真空加壓電阻爐內(nèi)，熔融后拉制成細(xì)棒（直徑2mm左右），拉絲時(shí)，首先在石英纖維上涂上一層浸潤劑，而后放置于電熱或氫氧火焰環(huán)境中進(jìn)行拉絲操作，由此可以獲得單絲直徑約8μm的原絲，最后，將纖維原絲進(jìn)行合股加捻，從而獲得纖維紗或纖維織物。
其中，拉絲的具體過程可簡述如下：液態(tài)的高溫石英由石英棒底端滴出，拉絲機(jī)則保持恒定的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，從而將纖維牽伸和固化，形成連續(xù)纖維。石英棒下部形成被稱為“絲根”的新月形細(xì)絲。需要指出的是，纖維單絲在被拉出之后的過程中溫度會(huì)有大幅的下降，該效應(yīng)對(duì)產(chǎn)品性能會(huì)產(chǎn)生一些影響。
棒拉絲法（氣體加熱）石英纖維生產(chǎn)設(shè)備示意圖
1-送棒機(jī)；2-氣體加熱燃燒裝置；3-拉絲機(jī)；4-石英棒
由拉絲機(jī)拉出的那些纖維具有較高的強(qiáng)度，但其抗腐蝕性差，一旦暴露于空氣中，在很短的時(shí)間內(nèi)即可能被腐蝕，因而給其收集帶來了困難。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在實(shí)際工藝中需要在纖維拉絲過程中給纖維表面涂抹浸潤劑，以起到抑制纖維斷絲、飛絲的作用，進(jìn)而有助于確保拉絲作業(yè)正常進(jìn)行。
石英纖維的浸潤劑一般可分為兩大類，即用于制備紡織紗的淀粉型浸潤劑和制備增強(qiáng)型制品的增強(qiáng)型浸潤劑。浸潤劑通常為水乳液，含水量在80%以上。需要說明的是，石英纖維原絲絲餅含水量可達(dá)10%左右，這些水分在工藝中往往是通過時(shí)長約為8~12h的遠(yuǎn)紅外烘干來去除，以避免其對(duì)制備工藝帶來一些不良的影響。
影響石英纖維質(zhì)量的主要因素
石英纖維作為透波復(fù)合材料的增強(qiáng)體，其性能直接影響著復(fù)合材料的性能，這就對(duì)石英纖維的的質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求。石英纖維的質(zhì)量主要受以下幾個(gè)方面因素的影響：
第一，原料直接影響著石英纖維的力學(xué)性能和抗燒蝕性能；就國內(nèi)情況而言，制備原料主要包括水晶料、硅石料等。
第二，由于石英玻璃棒往往采用兩步電熔法制得，其純度、幾何尺寸、透明度、羥基含量等都會(huì)對(duì)石英纖維的質(zhì)量產(chǎn)生顯著作用。
第三，拉絲工藝的質(zhì)量也直接影響著纖維的性能，例如采用氫氧火焰熔融操作時(shí)氫、氧純度、溫度、壓力等因素。
第四，浸潤劑的種類、質(zhì)量、涂抹的均勻程度和使用量等均顯著影響著制備產(chǎn)物的性能。
參考資料：
陳晨，新型石英纖維的表征及其石英基復(fù)合材料的制備與性能，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
劉勇，石英纖維織物結(jié)構(gòu)對(duì)二氧化硅基復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究，南京航空航天大學(xué)
張雄等，石英纖維透波復(fù)合材料的研究進(jìn)展，空軍駐長沙地區(qū)軍代室
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