隨著飛行器飛行速度朝高馬赫數發展，雷達天線罩面臨愈發嚴酷的氣動熱環境。高馬赫數條件下，天線罩罩體大面積溫度在 500℃以上，傳統的樹脂基天線罩無法滿足高溫使用要求，陶瓷基透波材料成為制備耐高溫天線罩的最佳選擇。在已有的陶瓷基透波材料中，石英纖維增強二氧化硅復合材料由于其良好的高溫力學強度、優異的高溫介電性能及抗熱振性能，成為國內應用最廣泛的高溫透波材料。石英纖維增強二氧化硅復合材料在非燒蝕條件下可在室溫至 1000℃環境下較長時間使用，在燒蝕條件下，可耐受 1700℃以上的短時高溫。

　　石英纖維增強二氧化硅復合材料通常采用石英纖維預制體多次浸漬二氧化硅溶膠制備而成，早期石英纖維增強二氧化硅復合材料天線罩的預制體多采用 2.5D 結構，織物的制作周期及成本較高。為了降低產品的研制成本，織物廠家近年來開始采用針刺工藝制備天線罩預制體織物。針刺結構石英纖維預制體以石英纖維網氈、石英纖維布層為重復單元，采用針刺工藝進行接力針刺成型，生產過程中刺針將平面層中的短纖維引入并遷移至法向，使石英纖維網氈和石英纖維織物產生連接，逐層疊加形成準三維結構。針刺預制體具有整體性好、不易分層、孔隙分布均勻等優異性能，石英纖維針刺預制體內部結構與針刺工藝參數的多樣性，使預制體具有極佳的可設計性。

　　受限于較低的纖維體積含量，石英纖維針刺結構預制體應用于天線罩產品時，需重點關注罩體根部連接區附近的織物結構設計。天線罩根部承受的力載荷相對于前端更大，而且天線罩根部通常通過金屬連接件與其他艙段連接，金屬材料的熱膨脹系數高于罩體材料，存在高溫下與罩體材料存在熱膨脹系數不匹配的問題，會帶來較大的熱應力，需通過合理的織物結構設計保證罩體的根部強度。目前對石英纖維針刺結構預制體的織物性能已有研究，但實際復合材料產品的材料性能研究較為缺乏，為天線罩織物結構設計帶來難題，因此本文設計了多種針刺結構石英纖維天線罩織物并復合成型，并研究了罩體根部材料的性能情況，為天線罩石英纖維針刺織物的設計與優化提供參考和依據。

　　1 研究方法

　　針對天線罩根部性能需求，本文設計了不同網氈含量的針刺織物，通過采用二氧化硅溶膠多次復合浸漬，制備了致密度較高的天線罩坯體，從坯體根部取樣，測試罩體根部材料的壓縮性能、拉伸性能、剪切性能及熱物理性能，研究織物結構對實際材料性能的影響規律。針對罩體根部材料與金屬連接件熱膨脹不匹配問題，設計了氧化鋁 / 石英纖維混編針刺織物，測試混編結構復合材料的相關材料性能。

　　所用針刺織物的布層采用 B 型石英纖維紗制備，網氈采用 C 型石英纖維紗制備，氧化鋁纖維氧化鋁含量約為 70%，二氧化硅含量約為 30%。材料的力學強度在萬能測試機(深圳三思)上進行，力學試驗機符合《GB/T 1446-2005》規定，測試采用位移控制加載，加載速率為 1mm/min，高溫測試時加熱速率為 10℃/min，保溫時間為 10min。材料的力學強度由破壞載荷除以工作段截面積獲得。材料的導熱系數依據《GB/T 10295-2008》進行測試。線膨脹系數依據《GJB 332A-2004》進行測試，測試結果為材料在室溫至 800℃溫度范圍內的平均值。

　　2 測試結果與分析

　　2.1 網氈含量對材料性能的影響

　　由于針刺結構預制體織物法向沒有連續纖維，因此材料的層間性能較差，實際應用中，為了增強罩體的剛度，預制體的根部可通過法向縫合進行增強。在相同的縫合密度下，本文設計了 3 種不同根部結構的天線罩針刺織物，復合浸漬后進行根部材料性能取樣測試。

　　測試結果表明，隨著重復單元中網氈含量的降低，罩體根部材料的拉伸強度及模量增加。石英纖維增強二氧化硅復合材料的拉伸性能主要與沿拉伸方向的連續纖維體積含量相關，針刺織物的重復單元由布層及網氈組成，其中網氈主要由無序且纖維體積含量較低的短纖維構成，其對拉伸性能的貢獻很小，針刺結構復合材料的拉伸性能主要取決于布層中連續纖維的含量，降低重復單元中網氈的含量，可以提升織物連續纖維的體積含量，從而提升復合材料的拉伸性能。降低重復單元中網氈的含量會減少織物中朝厚度方向轉移的纖維數量，從而降低布層間的連接強度，復合材料的層間剪切性能呈下降趨勢。

　　1 層布層加 1 層網氈結構與 2 層布層加 1 層網氈結構復合材料的面內壓縮性能沒有明顯差異，主要由于相近織物結構下，石英纖維增強二氧化硅復合材料的壓縮性能跟基體的致密度更相關，1 層布層加 1 層網氈結構與 2 層布層加 1 層網氈結構復合材料的密度基本接近，因此壓縮性能差異性較小，但純布層結構復合材料的壓縮性能低于 1 層布層加 1 層網氈結構與 2 層布層加 1 層網氈結構復合材料，該現象說明，隨著網氈含量的進一步降低，材料在承受面內壓縮載荷時，沿壓縮方向的連續纖維缺乏法向纖維的束縛，材料容易在壓力作用下發生層間分離，承壓能力降低。與力學性能相比，網氈含量對材料導熱性能的影響很小，可能因為隨著網氈含量的降低，導熱性能較基體更優的纖維的含量盡管增加了，但網胎含量的減少同樣減少了法向纖維的含量，從而減少了沿厚度方向的傳熱通道，在二者的綜合作用下，材料的導熱性能差異很小。

　　根據不同織物結構天線罩的實際取樣測試情況，對于針刺結構天線罩，很難通過織物結構優化，同時提升各項力學性能，實際產品具體采用何種織物形式需結合產品的實際承載情況及極限承載下的破壞形式，針對性地提升對應的材料強度短板。

　　2.2 混編織物結構復合材料性能研究

　　雷達天線罩的根部通常裝配有金屬連接件，罩體材料和金屬材料在使用環境下的熱膨脹系數不匹配容易帶來熱應力下罩體結構性損壞。對于尺寸較大的天線罩產品，通過增加罩體根部壁厚可以有效降低罩體連接區內壁的溫度，較大程度地避免了相關問題。對于小尺寸天線罩產品，通過在根部纏繞隔熱層或粘接其他隔熱材料也可以降低連接區的溫度，但受厚度尺寸的限制，外部隔熱層的隔熱效果有限，連接區的溫度仍可在 300℃以上，而且外部隔熱層本身會侵占罩體材料的厚度，對罩體根部的強度帶來不利影響，因此還需從織物結構的角度，提升罩體根部材料的熱膨脹系數，從根本上緩解罩體根部材料與金屬材料的熱匹配問題。通過在罩體根部引入熱膨脹系數更高的纖維，是提升罩體材料熱膨脹系數的有效途徑。目前混編纖維針刺結構石英復合材料的性能研究較少，為織物結構的設計帶來了難題，為此在保持纖維體積含量、針刺密度等基本一致的前提下，本文設計了不同氧化鋁纖維含量的針刺織物，對不同氧化鋁纖維含量下材料的性能規律進行了研究。

　　隨著氧化鋁纖維含量的增加，混編纖維結構復合材料的室溫拉伸強度逐漸增大，這是由于氧化鋁纖維的耐溫性優于石英纖維，在經歷復合材料成型過程中多次高溫燒結過程后，氧化鋁纖維的殘余強度強于石英纖維，因此室溫條件下氧化鋁含量越高的復合材料拉伸強度越大。與室溫下復合材料拉伸性能的變化規律不同，在 1000℃測試條件下，隨著氧化鋁含量的增多，復合材料的拉伸強度先下降后升高，復合材料拉伸強度的極低值對應氧化鋁纖維的含量約為 25%。

　　推測該現象與高溫條件下氧化鋁纖維與石英纖維熱膨脹系數存在明顯差異相關，氧化鋁纖維的熱膨脹系數是石英纖維的 10 倍以上，當氧化鋁纖維的含量為 0～25%，高溫條件下氧化鋁纖維受熱膨脹后，復合材料的承載主體為石英纖維，由于混編織物中石英纖維的絕對含量比純石英纖維織物略低，此時材料的拉伸強度反而下降，高溫下氧化鋁纖維與石英纖維熱膨脹系數不一致引起的熱應力還會一步削弱復合材料的承載能力，使得混編復合材料的綜合承載能力低于純石英纖維復合材料。隨著氧化鋁纖維的比例進一步增加，復合材料的承載主體逐漸向氧化鋁纖維過渡，混編復合材料的綜合承載能力逐漸回升。對比常溫和高溫的拉伸強度，氧化鋁 / 石英纖維混編復合材料的高溫拉伸強度均小于常溫拉伸強度，引起該現象的主要原因有：①加入氧化鋁纖維后，由于石英纖維和氧化鋁纖維的熱膨脹系數不同，導致材料內存在熱應力，對材料的拉伸強度帶來負面影響;②氧化鋁纖維的高溫強度較室溫強度有一定程度地衰減。

　　根據材料實際性能測試結果，氧化鋁 / 石英纖維混編針刺結構復合材料的壓縮性能受氧化鋁纖維的含量影響很小，主要由于在織物參數基本一致的情況下，石英復合材料的壓縮性能主要跟基體的致密度相關。隨著氧化鋁纖維含量的增加，材料的熱膨脹系數基本按線性規律增大，實際應用中可根據金屬連接件的溫度環境，選擇合適的氧化鋁纖維混編比例。

　　3 結語

　　針對天線罩對根部材料性能的需求，本文設計了不同結構石英纖維針刺天線罩織物并進行了復合成型及根部材料性能測試。結果表明，通過減少網氈的含量，根部材料的拉伸性能有所提高，但層間剪切性能略有下降，材料的壓縮性能同樣受網氈含量的影響。通過在罩體織物根部引入氧化鋁纖維，罩體根部材料的熱膨脹系數可以在一個較寬的范圍內進行調節，氧化鋁纖維的含量較低時，石英纖維與氧化鋁纖維的熱膨脹系數不匹配性會削弱材料的綜合承載能力，只有在較高的氧化鋁纖維含量下，氧化鋁纖維才能發揮其耐高溫優勢。相關研究可以為針刺結構石英纖維增強二氧化硅復合材料天線罩的設計提供參考，較好解決天線罩在高溫使用環境下根部結構強度問題。

吳燾;苑賀楠;李 陽;秦高磊;楊靜;鄭晨;楊小波,航天特種材料及工藝技術研究所,202403