[發明專利]一種對稱連續梯度結構氮化硅陶瓷天線罩及制備方法

有效

• 申請號: 202210368224.2
• 申請日: 2022-03-30
• 公開（公告）號: CN114773082B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 葉昉;成來飛;趙凱;李明星;張聰琳;崔雪峰;付志強;張立同
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00;C04B35/81;C04B35/80;C04B35/584;H01Q1/42
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種對稱連續梯度結構氮化硅陶瓷天線罩及制備方法，步驟為(1)采用電磁仿真軟件CST進行天線罩的電磁性能仿真與寬頻透波性能優化；(2)采用凝膠注模?先驅體浸漬裂解法制備氮化硅基陶瓷多孔芯層；(3)采用碳熱還原氮化法/硅粉氮化法/催化裂解法在芯層表面制備氮化硅納米線；(4)采用化學氣相沉積/滲透法對表面含有納米線的天線罩進行表層致密化；(5)對天線罩進行精密加工。本發明所提供的技術方案為組合式工藝，可以實現高性能天線罩的寬頻透波、高溫承載和抗環境侵蝕性能的協同提升，以及大型復雜型面連續梯度結構天線罩的近凈尺寸一體化成型，解決了當前梯度結構天線罩成型困難的問題，實現了天線罩結構、性能梯度連續變化。

技術領域

本發明屬于高溫透波氮化物陶瓷天線罩及其制備方法，涉及一種對稱連續梯度結構氮化硅陶瓷天線罩及制備方法，具體涉及一種氮化硅陶瓷天線罩的對稱連續梯度結構多尺度設計及其一體化近凈尺寸成型制備方法。

背景技術

天線罩位于飛行器的機艙鼻部，作用是保護內部雷達天線的正常有效工作，既是飛行器的結構件，也是制導系統的重要組成部分。高速飛行器天線罩服役環境苛刻，在飛行器飛行過程中既要承受因加速度引起的機械應力和因氣動加熱產生的高溫，又要面臨大氣中雨滴的侵蝕和粒子的碰撞，同時作為傳輸電磁波的通道，還須保證信號的正常傳輸。天線罩在這樣惡劣的環境下保護飛行器通訊、遙測、制導、引爆等系統正常工作，是一種集防熱、透波、承載、耐候等高性能要求為一體的結構/功能部件，相應地，天線罩用材料也應滿足上述多功能一體化要求。氮化硅陶瓷材料因其優良的耐高溫、耐腐蝕和力學性能，以及適中的介電常數被公認為最合適的高速飛行器天線罩用候選材料之一。

天線罩的透波性能與其罩壁結構密切相關。典型的寬頻透波天線罩的罩壁結構分為三種：薄壁結構、夾層結構和梯度結構。薄壁結構天線罩的透波性能優良，但是由于天線罩壁厚較薄，很難實現寬頻透波與力學性能協同；夾層結構通過對不同層的材料體系與厚度進行設計，可以實現寬頻透波，目前已成功應用于低馬赫數導彈天線罩。但是由于不同層材料的熱物理性能差別較大，當該種結構應用于高馬赫數導彈天線罩時容易出現各層熱失配問題，從而無法滿足耐高溫與寬頻透波協同的使用需求；梯度結構可以看作是由多層介電材料按照梯度的介電性能變化順序組合而成，其不僅具有介電可設計性，能夠滿足寬頻透波需求，而且具有優良的熱應力緩和特性，可以防止在高溫環境使用時由于層間熱應力而導致的材料破環，因而具有較好的耐高溫性能和抗熱震性能，滿足高馬赫數導彈天線罩使用需求。目前，有關梯度結構氮化硅陶瓷天線罩的研究鮮見報道，亟待發展該項技術以滿足耐高溫、寬頻透波、兼顧承載的使用需求。

目前梯度結構天線罩的制備工藝主要包括變密度坯體共燒結工藝、多層粘結工藝和表面涂層工藝。其中，Verzemnieks等人(VERZEMNIEKS?J,SIMPSON?FH.Silicon?nitridearticles?with?controlled?multi?density?regions；美國US5103239[P].1992-04-07)通過控制造孔劑含量調控陶瓷密度，采用坯體共燒結法制備了密度為0.9～1.8g/cm³的梯度結構氮化硅陶瓷天線罩；波音公司(KOETJE?EL,SIMPSON?FH,SCHORSCH?JF.Broadband?hightemperature?radome?apparatus；美國US4677443[P].1987?06?30)采用孔道成型法，通過控制材料孔隙率來調控材料密度，制備了梯度結構氮化硅陶瓷天線罩。上述工藝的關鍵在于變密度坯體的一體化成型，這種工藝控制難度大，而且燒結過程中的體積收縮使得天線罩型面難以實現精確控制。

Goto等人與Leggett等人(GOTO?T,FUJI?A,KAWAI?C.Radome；美國US?6091375[P].2000-07-18；LEGGETT?H.Ceramic?broadband?radome；美國US?4358772[P].1982-11-09)分別在多孔氮化硅陶瓷芯層表面制備了致密的涂層以形成梯度結構氮化硅陶瓷天線罩。但是由于涂層與芯層之間缺乏有效的連續過渡層，導致層間熱物理性能難以匹配。