韦 鑫 荆云娟 尉寄望 董经经 张艺会

（陕西省纺织科学研究院，陕西西安，710038）

天线罩是导弹的重要部件，既要保护导弹不受损坏，又要适应飞行时遇到的各种恶劣环境，同时，也要满足制导要求。导弹飞行速度越高，飞行过程中与空气剧烈摩擦，产生气动加热现象，导弹表面温度不断升高，在天线罩罩壁会产生很高的升温速率（540 ℃/s～820 ℃/s）［1］，高超音速导弹在以8 马赫～12 马赫飞行时，天线罩材料温度升至2 400 ℃，因此，对天线罩的耐高温要求更高。高超音速导弹在飞行过程中会因不同方向受到过载而产生巨大的剪力、轴向力和弯矩，因此，对天线罩材料的力学性能要求非常高。此外，还应具备良好的透波性能，一般来说，介电常数越小代表透波性能越好，介电常数小于10，介电损耗小于0.02，即表示材料具有良好的透波性能［2］。目前，天线罩多以玻璃纤维增强树脂基复合材料为主要材料，产品适用于低声速（不大于0.3 马赫）天线罩，适用范围小。近年来，陶瓷基复合材料因其优良的透波性能和耐高温性能逐渐受到关注，尤其是连续纤维增强陶瓷基复合材料，拥有更好的力学性能，大多应用于耐高温部件和承载部件，在天线罩上表现出更好的应用条件。本研究对连续纤维增强天线罩预制体材料、成形技术的进展及应用情况作以阐述。

1 天线罩材料发展历程

随着飞行器的发展，导弹的飞行速度越来越高，材料性能对导弹天线罩来说非常重要，天线罩材料的发展大致经历了以下过程：纤维增强复合材料→陶瓷（氧化铝陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→氮化物陶瓷）→陶瓷基复合材料。

初期，工程化应用最成熟的是玻璃纤维增强的不饱和聚酯树脂和环氧树脂复合材料。不饱和聚酯树脂基复合材料的力学性能较差，不适用于导弹天线罩。环氧树脂的力学、耐化学腐蚀和电性能优异，在众多种类的树脂基体中是最常用的。随着天线罩技术的发展，对耐温方面提出了更高的要求，环氧树脂耐温只能到达180 ℃，正切损耗值为0.018～0.020，不能满足更高的温度及透波性能要求，因此逐渐被淘汰。

陶瓷材料是指经过高温烧结制成的一类无机非金属材料，它的介电性能、耐热性能均较好，发展到中期时成为高马赫数导弹天线罩的首选材料，但存在质脆的缺点，在发生断裂时几乎没有吸收外来能量的机制，也逐渐被淘汰。

随着各国军事实力的不断提升，导弹武器在各国军事力量体系中占据的位置越来越重要。飞行速度的提升对于导弹提高精确打击能力来说是最直接的途径，为此，各国都在积极研发高超音速的巡航导弹［3-4］。而导弹天线罩作为导弹制导系统的重要组成部分［5］，高超音速导弹对其耐烧蚀、耐高温、耐冲刷等性能提出了更高的要求。对于天线罩的增强纤维，也提出了更为严苛的要求。目前，能满足高超音速导弹天线罩材料应用要求的仅有连续纤维增强陶瓷基复合材料［6］。纤维增强陶瓷基复合材料既有陶瓷良好的介电性能和耐热性能，又有纤维增韧增强的效果，通过裂纹偏转、纤维拔出等增强增韧的机理，大大提高了复合材料的模量、强度等力学性能［7-8］，近年来受到航空航天领域的极大关注。在连续纤维种类选择方面，近年来，陶瓷纤维因其更高的耐高温性能在天线罩领域崭露头角，研究较多的有氮化硼（BN）纤维、氮化硅（Si3N4）纤维。目前，国内已有厂家建成批量生产加工BN 纤维的生产线，福建立亚新材有限公司已生产出售Si3N4纤维，国防科技大学对各类陶瓷纤维也研究较多。BN 纤维在氧化气氛中长期使用温度为900 ℃以下，在惰性气体中为2 000 ℃［9-10］。Si3N4纤 维 在 空 气 中 使 用 温 度1 400 ℃时仍可保持稳定，在惰性气氛中最高使用温度为1 850 ℃［11］。

在天线罩应用较多的连续纤维还有石英纤维，在900 ℃时便会发生纤维析晶，导致纤维失效［12］。与石英纤维相比，无论在使用温度，还是透波性能方面，陶瓷纤维明显更为优异，几种纤维性能对比见表1［13］。

表1 几种纤维性能对比

在基体选择方面，陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低体积质量的特点，其体积质量为2 g/m3～2.5 g/m3，是高温合金和铝合金的1/3～1/4，钨合金的1/9～1/10，应用在高超音速导弹天线罩上有着不可比拟的优势。

2 连续纤维增强天线罩预制体成形技术现状

天线罩预制体的成形技术包括缠绕成形、针刺成形、铺层成形、3D 编织结构成形、2.5D 结构成形、三向正交结构成形。目前，天线罩预制体的制造主要集中在铺层、缠绕及针刺等成本低、技术相对简单的成形方法，3D 编织、2.5D 结构应用于天线罩方面的相关报道还比较少，基本都停留在基础研究阶段。

缠绕成形是将连续纤维或布带浸树脂后，缠绕到模具上，后期再经固化、脱模，最终成形为所需要的尺寸和形状。该技术比较成熟，在天线罩上已很早得到应用，其优点是可设计性强，能充分发挥纤维强度，预制体比强度高、可靠性高、生产效率高。但因缠绕需紧贴模具表面，若模具有凹槽，在凹槽处会存在孔隙，因此，适应性小，不能缠绕任意形状的制品，且投资大、技术要求高。缠绕成形工艺因其成形特点，适用于回转体类构件，缠绕完成后进行复合，再进行进一步精加工至需要的尺寸。

铺层成形是采用2D 织物、毡或仿形机织物手工逐层铺设，直至制件设计的厚度层数，经加工后最终制成所需的尺寸。2D 织物的生产现已发展成熟，后期的铺层工序也较为简单，生产效率高。因此，该技术发展快，应用广泛，在天线罩制造中也应用较多。但因采用铺层方式制作而成，层与层之间没有纤维连接，存在层间性能差的问题。掌握该技术的企业较多，设备自动化程度高，适用于对层间性能要求不高的各类构件。

针刺成形是采用刺针对纤网进行反复穿刺，使得纤网层间通过纤维连接形成的一类织物，可加工各种复杂形状。具有成形方式简单、成本低等特点，但产品在力学性能方面较弱。目前，在纤维增强的复合材料天线罩上应用较多，但因预制件强度较弱，已逐渐不适用于高超音速导弹天线罩。

3D 织物包括3D 编织物、三向正交织物、2.5D 织物等一次整体成形制造技术，通过在织物厚度方向引入纤维，实现厚度方向的连接，从而提高材料的层间剪切强度和损伤容限［14］，耐烧蚀、抗冲击，各项力学性能优异。单从性能优势来讲，3D 形式的预成形体比缠绕成形和2D 织物成形具有更好的性能优势，其中3D 编织结构、2.5D 结构与其他3D 结构相比，其编织技术可实现近净成形，后期经过复合，直接用于结构件，无需再加工。且2.5D 结构易于制备一端封口的复合材料构件（如头锥），3D 编织结构具有高的分层阻抗和冲击损伤容限［15-17］，在空天飞行器高温热防护系统具有广泛需求。因此，2.5D 和3D 编织结构是较适合天线罩预制体的两种结构。国外很早就研究采用3D 编织技术制造增强材料预制体［18］，发展到现在，3D 编织已实现自动化，在生产技术、设备能力等方面整体水平较高，并已作为天线罩的增强体应用于型号产品。

国内3D 编织现仍处于机械半自动化程度，在天线罩预制体上的应用也较少，但因其优异的力学性能，逐渐受到航空航天领域的青睐。近年来，该技术呈现快速发展的态势。中材科技股份有限公司发明了一种截锥体织物的编织方法［19］，适用于导弹天线罩，该织物采用2.5D 结构编织成形。国防科技大学的邹春荣制备了氮化硅纤维增强的氮化硼基复合材料［20］，其中，增强体是采用2.5D结构编织的SiNO 纤维、Si3N4纤维织物。综合来看，国内的2.5D 结构和3D 异形结构件的编织技术仍处于人工辅助生产阶段，产品质量稳定性较差、生产效率低。

3 连续纤维增强预制体在天线罩上的应用

在纤维增强方面，应用较多的纤维为石英纤维和玻璃纤维。俄罗斯早在2005 年就已展示了采用玻璃纤维制成的多种型号导弹天线罩。采用玻璃纤维缠绕成形的天线罩主要有波音飞机公司“波马克”导弹CIM-10［21］、美国的霍克导弹和前苏联的SA-6 导弹［22］。采用石英纤维为原料，3D 织物增强的主要有美国Philco-Ford 公司、General Electric 公司开发的牌号为AS-3DX 和Markite 3DQ 的二氧化硅复合材料，以及美国“三叉戟”潜地导弹。同时，美国通用电器公司开发了具有良好力学和电学性能的石英织物增强磷酸铝基复合材料。

国内有航天材料及工艺研究单位较早对天线罩结构材料进行了研究，目前已能独立自主地设计和制造各类天线罩。已成功研制并应用于多种型号上的天线罩，较多采用石英纤维作为核心纤维材料，针刺织物、三向正交织物作为增强体，树脂、二氧化硅作为基体。如国内发明了一种适用于先进航空器及航天飞行器雷达罩的最佳透波材料，将各种形式的石英纤维材料采用针刺技术制成3D 预制件，最终制备成复合材料［23］。

连续纤维增强有着增韧、增强的作用，克服了陶瓷基体对裂纹和热冲击的敏感性，近年来研究热度居高不下。但因在导弹天线罩上应用的特殊性，较少能查询到相关的应用情况。整体上与国外相比，我国连续纤维增强的氮化物体系才刚起步，尤其是在纤维增强体的工艺技术方面，与国外仍存在较大差距，需要不断学习国外先进经验，促进技术不断改进，使新型陶瓷材料逐步在导弹天线罩上得到广泛应用。

4 发展趋势

陶瓷纤维在高马赫数导弹天线罩上将凸显优势。导弹天线罩对材料的耐高温性能要求极为严苛，而有机材料并不能满足各种飞行器高速飞行时的耐高温要求，陶瓷纤维因其优异的耐高温性能、透波性能受到越来越多的关注。尤其是氮化硅纤维作为一种陶瓷纤维，在高马赫数导弹天线罩上具有很大的应用空间。

3D 编织、2.5D 编织对提高天线罩力学性能将起到关键作用。假以时日，我国3D 编织、2.5D异形编织技术以及生产装备自动化程度提高，会对导弹天线罩乃至航空航天领域其他部件的性能提升起到重要作用。届时，以氮化硅纤维为原材料，采用2.5D、3D 编织技术增强的陶瓷基复合材料将成为高超音速导弹天线罩的主要材料。

5 结语

各国对复合材料天线罩的研究逐渐深入，采用纤维预制体增强的复合材料作为一种先进材料已成为各行业研究重点。掌握预制体的制备技术对提高复合材料的性能起着关键作用。同时，对于天线罩来说，寻找最合适的纤维预制体与基体材料配伍体系，以实现天线罩性能更优，是以后的研究方向。我国陶瓷纤维研究起步较晚，提高原材料生产及加工能力对天线罩材料性能的提升将起到至关重要的作用。预制体在生产时无法监测预制体内部质量，因此，加强预制体生产过程中在线检测能力，对提高产品合格率是非常重要的手段。复合材料天线罩的制备是一个系统化的工程，从天线罩设计、原材料选择及加工、预制体结构模型建立及生产、复合基体的选择及加工、成品检测，是一个完整的试验过程。目前，国内没有一家单位完全拥有这一系列能力，因此，对其进行工程化、系统化的研究是提高天线罩发展速度的重要条件。