連續(xù)纖維增強(qiáng)天線罩預(yù)制體技術(shù)進(jìn)展

韋 鑫 荊云娟 尉寄望 董經(jīng)經(jīng) 張藝會

（陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038）

天線罩是導(dǎo)彈的重要部件，既要保護(hù)導(dǎo)彈不受損壞，又要適應(yīng)飛行時遇到的各種惡劣環(huán)境，同時，也要滿足制導(dǎo)要求。導(dǎo)彈飛行速度越高，飛行過程中與空氣劇烈摩擦，產(chǎn)生氣動加熱現(xiàn)象，導(dǎo)彈表面溫度不斷升高，在天線罩罩壁會產(chǎn)生很高的升溫速率（540 ℃/s～820 ℃/s）［1］，高超音速導(dǎo)彈在以8 馬赫～12 馬赫飛行時，天線罩材料溫度升至2 400 ℃，因此，對天線罩的耐高溫要求更高。高超音速導(dǎo)彈在飛行過程中會因不同方向受到過載而產(chǎn)生巨大的剪力、軸向力和彎矩，因此，對天線罩材料的力學(xué)性能要求非常高。此外，還應(yīng)具備良好的透波性能，一般來說，介電常數(shù)越小代表透波性能越好，介電常數(shù)小于10，介電損耗小于0.02，即表示材料具有良好的透波性能［2］。目前，天線罩多以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為主要材料，產(chǎn)品適用于低聲速（不大于0.3 馬赫）天線罩，適用范圍小。近年來，陶瓷基復(fù)合材料因其優(yōu)良的透波性能和耐高溫性能逐漸受到關(guān)注，尤其是連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，擁有更好的力學(xué)性能，大多應(yīng)用于耐高溫部件和承載部件，在天線罩上表現(xiàn)出更好的應(yīng)用條件。本研究對連續(xù)纖維增強(qiáng)天線罩預(yù)制體材料、成形技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用情況作以闡述。

1 天線罩材料發(fā)展歷程

隨著飛行器的發(fā)展，導(dǎo)彈的飛行速度越來越高，材料性能對導(dǎo)彈天線罩來說非常重要，天線罩材料的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下過程：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料→陶瓷（氧化鋁陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→氮化物陶瓷）→陶瓷基復(fù)合材料。

初期，工程化應(yīng)用最成熟的是玻璃纖維增強(qiáng)的不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。不飽和聚酯樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能較差，不適用于導(dǎo)彈天線罩。環(huán)氧樹脂的力學(xué)、耐化學(xué)腐蝕和電性能優(yōu)異，在眾多種類的樹脂基體中是最常用的。隨著天線罩技術(shù)的發(fā)展，對耐溫方面提出了更高的要求，環(huán)氧樹脂耐溫只能到達(dá)180 ℃，正切損耗值為0.018～0.020，不能滿足更高的溫度及透波性能要求，因此逐漸被淘汰。

陶瓷材料是指經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料，它的介電性能、耐熱性能均較好，發(fā)展到中期時成為高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩的首選材料，但存在質(zhì)脆的缺點，在發(fā)生斷裂時幾乎沒有吸收外來能量的機(jī)制，也逐漸被淘汰。

隨著各國軍事實力的不斷提升，導(dǎo)彈武器在各國軍事力量體系中占據(jù)的位置越來越重要。飛行速度的提升對于導(dǎo)彈提高精確打擊能力來說是最直接的途徑，為此，各國都在積極研發(fā)高超音速的巡航導(dǎo)彈［3-4］。而導(dǎo)彈天線罩作為導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分［5］，高超音速導(dǎo)彈對其耐燒蝕、耐高溫、耐沖刷等性能提出了更高的要求。對于天線罩的增強(qiáng)纖維，也提出了更為嚴(yán)苛的要求。目前，能滿足高超音速導(dǎo)彈天線罩材料應(yīng)用要求的僅有連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料［6］。纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料既有陶瓷良好的介電性能和耐熱性能，又有纖維增韌增強(qiáng)的效果，通過裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維拔出等增強(qiáng)增韌的機(jī)理，大大提高了復(fù)合材料的模量、強(qiáng)度等力學(xué)性能［7-8］，近年來受到航空航天領(lǐng)域的極大關(guān)注。在連續(xù)纖維種類選擇方面，近年來，陶瓷纖維因其更高的耐高溫性能在天線罩領(lǐng)域嶄露頭角，研究較多的有氮化硼（BN）纖維、氮化硅（Si3N4）纖維。目前，國內(nèi)已有廠家建成批量生產(chǎn)加工BN 纖維的生產(chǎn)線，福建立亞新材有限公司已生產(chǎn)出售Si3N4纖維，國防科技大學(xué)對各類陶瓷纖維也研究較多。BN 纖維在氧化氣氛中長期使用溫度為900 ℃以下，在惰性氣體中為2 000 ℃［9-10］。Si3N4纖 維 在 空 氣 中 使 用 溫 度1 400 ℃時仍可保持穩(wěn)定，在惰性氣氛中最高使用溫度為1 850 ℃［11］。

在天線罩應(yīng)用較多的連續(xù)纖維還有石英纖維，在900 ℃時便會發(fā)生纖維析晶，導(dǎo)致纖維失效［12］。與石英纖維相比，無論在使用溫度，還是透波性能方面，陶瓷纖維明顯更為優(yōu)異，幾種纖維性能對比見表1［13］。

表1 幾種纖維性能對比

在基體選擇方面，陶瓷基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗氧化和低體積質(zhì)量的特點，其體積質(zhì)量為2 g/m3～2.5 g/m3，是高溫合金和鋁合金的1/3～1/4，鎢合金的1/9～1/10，應(yīng)用在高超音速導(dǎo)彈天線罩上有著不可比擬的優(yōu)勢。

2 連續(xù)纖維增強(qiáng)天線罩預(yù)制體成形技術(shù)現(xiàn)狀

天線罩預(yù)制體的成形技術(shù)包括纏繞成形、針刺成形、鋪層成形、3D 編織結(jié)構(gòu)成形、2.5D 結(jié)構(gòu)成形、三向正交結(jié)構(gòu)成形。目前，天線罩預(yù)制體的制造主要集中在鋪層、纏繞及針刺等成本低、技術(shù)相對簡單的成形方法，3D 編織、2.5D 結(jié)構(gòu)應(yīng)用于天線罩方面的相關(guān)報道還比較少，基本都停留在基礎(chǔ)研究階段。

纏繞成形是將連續(xù)纖維或布帶浸樹脂后，纏繞到模具上，后期再經(jīng)固化、脫模，最終成形為所需要的尺寸和形狀。該技術(shù)比較成熟，在天線罩上已很早得到應(yīng)用，其優(yōu)點是可設(shè)計性強(qiáng)，能充分發(fā)揮纖維強(qiáng)度，預(yù)制體比強(qiáng)度高、可靠性高、生產(chǎn)效率高。但因纏繞需緊貼模具表面，若模具有凹槽，在凹槽處會存在孔隙，因此，適應(yīng)性小，不能纏繞任意形狀的制品，且投資大、技術(shù)要求高。纏繞成形工藝因其成形特點，適用于回轉(zhuǎn)體類構(gòu)件，纏繞完成后進(jìn)行復(fù)合，再進(jìn)行進(jìn)一步精加工至需要的尺寸。

鋪層成形是采用2D 織物、氈或仿形機(jī)織物手工逐層鋪設(shè)，直至制件設(shè)計的厚度層數(shù)，經(jīng)加工后最終制成所需的尺寸。2D 織物的生產(chǎn)現(xiàn)已發(fā)展成熟，后期的鋪層工序也較為簡單，生產(chǎn)效率高。因此，該技術(shù)發(fā)展快，應(yīng)用廣泛，在天線罩制造中也應(yīng)用較多。但因采用鋪層方式制作而成，層與層之間沒有纖維連接，存在層間性能差的問題。掌握該技術(shù)的企業(yè)較多，設(shè)備自動化程度高，適用于對層間性能要求不高的各類構(gòu)件。

針刺成形是采用刺針對纖網(wǎng)進(jìn)行反復(fù)穿刺，使得纖網(wǎng)層間通過纖維連接形成的一類織物，可加工各種復(fù)雜形狀。具有成形方式簡單、成本低等特點，但產(chǎn)品在力學(xué)性能方面較弱。目前，在纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料天線罩上應(yīng)用較多，但因預(yù)制件強(qiáng)度較弱，已逐漸不適用于高超音速導(dǎo)彈天線罩。

3D 織物包括3D 編織物、三向正交織物、2.5D 織物等一次整體成形制造技術(shù)，通過在織物厚度方向引入纖維，實現(xiàn)厚度方向的連接，從而提高材料的層間剪切強(qiáng)度和損傷容限［14］，耐燒蝕、抗沖擊，各項力學(xué)性能優(yōu)異。單從性能優(yōu)勢來講，3D 形式的預(yù)成形體比纏繞成形和2D 織物成形具有更好的性能優(yōu)勢，其中3D 編織結(jié)構(gòu)、2.5D 結(jié)構(gòu)與其他3D 結(jié)構(gòu)相比，其編織技術(shù)可實現(xiàn)近凈成形，后期經(jīng)過復(fù)合，直接用于結(jié)構(gòu)件，無需再加工。且2.5D 結(jié)構(gòu)易于制備一端封口的復(fù)合材料構(gòu)件（如頭錐），3D 編織結(jié)構(gòu)具有高的分層阻抗和沖擊損傷容限［15-17］，在空天飛行器高溫?zé)岱雷o(hù)系統(tǒng)具有廣泛需求。因此，2.5D 和3D 編織結(jié)構(gòu)是較適合天線罩預(yù)制體的兩種結(jié)構(gòu)。國外很早就研究采用3D 編織技術(shù)制造增強(qiáng)材料預(yù)制體［18］，發(fā)展到現(xiàn)在，3D 編織已實現(xiàn)自動化，在生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備能力等方面整體水平較高，并已作為天線罩的增強(qiáng)體應(yīng)用于型號產(chǎn)品。

國內(nèi)3D 編織現(xiàn)仍處于機(jī)械半自動化程度，在天線罩預(yù)制體上的應(yīng)用也較少，但因其優(yōu)異的力學(xué)性能，逐漸受到航空航天領(lǐng)域的青睞。近年來，該技術(shù)呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。中材科技股份有限公司發(fā)明了一種截錐體織物的編織方法［19］，適用于導(dǎo)彈天線罩，該織物采用2.5D 結(jié)構(gòu)編織成形。國防科技大學(xué)的鄒春榮制備了氮化硅纖維增強(qiáng)的氮化硼基復(fù)合材料［20］，其中，增強(qiáng)體是采用2.5D結(jié)構(gòu)編織的SiNO 纖維、Si3N4纖維織物。綜合來看，國內(nèi)的2.5D 結(jié)構(gòu)和3D 異形結(jié)構(gòu)件的編織技術(shù)仍處于人工輔助生產(chǎn)階段，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差、生產(chǎn)效率低。

3 連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)制體在天線罩上的應(yīng)用

在纖維增強(qiáng)方面，應(yīng)用較多的纖維為石英纖維和玻璃纖維。俄羅斯早在2005 年就已展示了采用玻璃纖維制成的多種型號導(dǎo)彈天線罩。采用玻璃纖維纏繞成形的天線罩主要有波音飛機(jī)公司“波馬克”導(dǎo)彈CIM-10［21］、美國的霍克導(dǎo)彈和前蘇聯(lián)的SA-6 導(dǎo)彈［22］。采用石英纖維為原料，3D 織物增強(qiáng)的主要有美國Philco-Ford 公司、General Electric 公司開發(fā)的牌號為AS-3DX 和Markite 3DQ 的二氧化硅復(fù)合材料，以及美國“三叉戟”潛地導(dǎo)彈。同時，美國通用電器公司開發(fā)了具有良好力學(xué)和電學(xué)性能的石英織物增強(qiáng)磷酸鋁基復(fù)合材料。

國內(nèi)有航天材料及工藝研究單位較早對天線罩結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了研究，目前已能獨立自主地設(shè)計和制造各類天線罩。已成功研制并應(yīng)用于多種型號上的天線罩，較多采用石英纖維作為核心纖維材料，針刺織物、三向正交織物作為增強(qiáng)體，樹脂、二氧化硅作為基體。如國內(nèi)發(fā)明了一種適用于先進(jìn)航空器及航天飛行器雷達(dá)罩的最佳透波材料，將各種形式的石英纖維材料采用針刺技術(shù)制成3D 預(yù)制件，最終制備成復(fù)合材料［23］。

連續(xù)纖維增強(qiáng)有著增韌、增強(qiáng)的作用，克服了陶瓷基體對裂紋和熱沖擊的敏感性，近年來研究熱度居高不下。但因在導(dǎo)彈天線罩上應(yīng)用的特殊性，較少能查詢到相關(guān)的應(yīng)用情況。整體上與國外相比，我國連續(xù)纖維增強(qiáng)的氮化物體系才剛起步，尤其是在纖維增強(qiáng)體的工藝技術(shù)方面，與國外仍存在較大差距，需要不斷學(xué)習(xí)國外先進(jìn)經(jīng)驗，促進(jìn)技術(shù)不斷改進(jìn)，使新型陶瓷材料逐步在導(dǎo)彈天線罩上得到廣泛應(yīng)用。

4 發(fā)展趨勢

陶瓷纖維在高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩上將凸顯優(yōu)勢。導(dǎo)彈天線罩對材料的耐高溫性能要求極為嚴(yán)苛，而有機(jī)材料并不能滿足各種飛行器高速飛行時的耐高溫要求，陶瓷纖維因其優(yōu)異的耐高溫性能、透波性能受到越來越多的關(guān)注。尤其是氮化硅纖維作為一種陶瓷纖維，在高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩上具有很大的應(yīng)用空間。

3D 編織、2.5D 編織對提高天線罩力學(xué)性能將起到關(guān)鍵作用。假以時日，我國3D 編織、2.5D異形編織技術(shù)以及生產(chǎn)裝備自動化程度提高，會對導(dǎo)彈天線罩乃至航空航天領(lǐng)域其他部件的性能提升起到重要作用。屆時，以氮化硅纖維為原材料，采用2.5D、3D 編織技術(shù)增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料將成為高超音速導(dǎo)彈天線罩的主要材料。

5 結(jié)語

各國對復(fù)合材料天線罩的研究逐漸深入，采用纖維預(yù)制體增強(qiáng)的復(fù)合材料作為一種先進(jìn)材料已成為各行業(yè)研究重點。掌握預(yù)制體的制備技術(shù)對提高復(fù)合材料的性能起著關(guān)鍵作用。同時，對于天線罩來說，尋找最合適的纖維預(yù)制體與基體材料配伍體系，以實現(xiàn)天線罩性能更優(yōu)，是以后的研究方向。我國陶瓷纖維研究起步較晚，提高原材料生產(chǎn)及加工能力對天線罩材料性能的提升將起到至關(guān)重要的作用。預(yù)制體在生產(chǎn)時無法監(jiān)測預(yù)制體內(nèi)部質(zhì)量，因此，加強(qiáng)預(yù)制體生產(chǎn)過程中在線檢測能力，對提高產(chǎn)品合格率是非常重要的手段。復(fù)合材料天線罩的制備是一個系統(tǒng)化的工程，從天線罩設(shè)計、原材料選擇及加工、預(yù)制體結(jié)構(gòu)模型建立及生產(chǎn)、復(fù)合基體的選擇及加工、成品檢測，是一個完整的試驗過程。目前，國內(nèi)沒有一家單位完全擁有這一系列能力，因此，對其進(jìn)行工程化、系統(tǒng)化的研究是提高天線罩發(fā)展速度的重要條件。