新型宽频透波材料技术研究

发布时间：2020-11-13 22:00

　　 天线罩是集透波、承载、隔热等多功能于一体的组件,随着高速飞行器的快速发展,对高温宽频天线罩材料的需求日益提高。通过降低材料的介电常数可拓宽频带宽度,低密度多孔氮化硅陶瓷便是通过降低密度来得到低介电常数材料,从而实现宽频透波,但是作为陶瓷材料,其脆性问题限制了其在工程上的应用。为了实现宽频透波的研究目标,解决多孔陶瓷脆性问题,本文从两种不同的思路开展了宽频透波材料的设计、制备及性能研究:(1)以氮化硅短纤维为主要原材料,采用抽滤压制成型制备了氮化硅短纤维多孔材料,研究了其介电性能和压缩强度变化规律,得到了具有良好抗热震性能的低介电氮化硅短纤维多孔材料;(2)针对宽频透波,开展了电磁微结构设计与验证,系统研究了电磁微结构单元结构、尺寸及与基材匹配关系对宽频透波性能的影响规律,以树脂为基材制备了2种宽频透波电磁超材料,对其宽频透波特性进行了原理性验证。以氮化硼作为烧结助剂,高温烧结制备了氮化硅短纤维多孔材料。通过控制成型压力,制备了密度0.35~0.85 g/cm~3的氮化硅短纤维多孔材料,介电常数在1.4~2.3范围内,满足宽频透波设计对材料低介电常数的要求。研究了氮化硼助剂含量、热处理制度和坯体密度对氮化硅短纤维多孔材料的介电性能和压缩强度的影响规律,随着氮化硼助剂含量的增加,氮化硅纤维间逐渐形成良好连接,当氮化硼含量超过4wt%时,过多的氮化硼分布在氮化硅纤维间的孔隙中,无法起到烧结助剂作用;当烧结温度在1100℃~1500℃变化时,氮化硼烧结助剂氧化程度逐渐增加,高温形成的液相促进了氮化硅纤维间的连接,但是氮化硅纤维在1400℃力学性能开始下降,1500℃开始析晶,因此,选定1300℃为最佳热处理温度;当氮化硼助剂含量为2 wt%,烧结温度为1300℃时,氮化硅纤维间形成了良好的结合,密度0.55 g/cm~3的材料的介电常数为1.78,1200℃压缩强度达到5.16 MPa,1400℃压缩强度为2.16 MPa。氮化硅短纤维多孔材料主要破坏机制为纤维断裂,经过5次1400℃的抗热震实验后材料宏观结构没有发生破坏。对密度0.55 g/cm~3材料的宽频透波特性和隔热性能进行了理论预测,为了兼顾隔热性能,采用51 mm的六阶壁厚设计,在该设计条件下,材料面温1200℃、时间1000 s条件下背温为71℃,同时在0~60°不同入射角条件下达到5.5GHz频带宽度透波率在70%以上。石英纤维/氰酸酯树脂复合材料(介电常数3.3)为基材,设计了含六边形缝隙电磁单元的五层结构超材料,电磁单元层间距为6.5 mm,材料总厚度13.1 mm。计算结果表明:当入射角在0°~45°变化时,透波率在70%以上的带宽达到9.76 GHz以上,具有较宽的频带宽度和较高的宽频透过率。在此基础上制备了400 mm×400 mm×13.1 mm的宽频透波电磁超材料,对其宽频透波性能进行了验证,实测结果表明:当入射角在0°~45°变化时,透波率在70%以上的频带宽度在7.99 GHz以上,与理论计算结果基本吻合。
【学位单位】：中国运载火箭技术研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;V25
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 透波材料研究进展
            1.2.1.1 单相陶瓷类透波材料
            1.2.1.2 陶瓷基透波复合材料
            1.2.1.3 树脂基透波复合材料
        1.2.2 传统宽频透波的结构设计及研究进展
            1.2.2.1 单层宽频透波结构
            1.2.2.2 夹层壁结构
        1.2.3 电磁微结构设计及研究进展
            1.2.3.1 电磁微结构的滤波机理
            1.2.3.2 电磁微结构设计
    1.3 选题依据及研究内容
2 实验与研究方法
    2.1 实验原材料
    2.2 实验制备流程
        2.2.1 短切氮化硅纤维多孔材料制备流程
        2.2.2 多层电磁结构复合材料的制备流程
    2.3 实验测试方法
        2.3.1 材料密度测试
        2.3.2 扫描电镜和能谱测试
        2.3.3 XRD测试
        2.3.4 热重测试
        2.3.5 红外测试
        2.3.6 压缩强度测试
        2.3.7 介电性能测试
        2.3.8 热扩散系数和比热容测试
3 单层宽频透波结构设计与氮化硅短纤维多孔材料制备
    3.1 单层宽频透波结构设计
        3.1.1 极化方式对透波特性影响
        3.1.2 介电常数对透波特性影响
        3.1.3 介电损耗对透波特性影响
        3.1.4 材料厚度对透波特性影响
    3.2 氮化硅短纤维多孔材料制备
        3.2.1 氮化硅短纤维分散与氧化
        3.2.2 助剂种类
        3.2.3 氮化硼助剂含量
        3.2.4 热处理制度
        3.2.5 坯体密度
    3.3 氮化硅短纤维多孔材料性能分析
        3.3.1 介电性能
        3.3.2 压缩性能
        3.3.3 热学性能
        3.3.4 抗热震性能
    3.4 氮化硅短纤维多孔材料单层平板宽频透波及隔热性能预测
    3.5 本章小结
4 多层电磁结构设计与实验验证
    4.1 电磁微结构单元设计
        4.1.1 单元结构选择及尺寸
        4.1.2 单元尺寸和层间间距优化
        4.1.3 介质层介电性能的影响
        4.1.4 新型电磁结构设计
    4.2 多层电磁结构制备、测试及机理分析
        4.2.1 多层电磁结构实验制备与测试
        4.2.2 等效电路分析
        4.2.3 场谐振机理分析
    4.3 耐高温多层电磁结构探索
    4.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士期间取得的学术成果
致谢

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本文编号：2882699