[发明专利]一种对称连续梯度结构氮化硅陶瓷天线罩及制备方法

说明书

本发明涉及一种对称连续梯度结构氮化硅陶瓷天线罩及制备方法，步骤为(1)采用电磁仿真软件CST进行天线罩的电磁性能仿真与宽频透波性能优化；(2)采用凝胶注模‑先驱体浸渍裂解法制备氮化硅基陶瓷多孔芯层；(3)采用碳热还原氮化法/硅粉氮化法/催化裂解法在芯层表面制备氮化硅纳米线；(4)采用化学气相沉积/渗透法对表面含有纳米线的天线罩进行表层致密化；(5)对天线罩进行精密加工。本发明所提供的技术方案为组合式工艺，可以实现高性能天线罩的宽频透波、高温承载和抗环境侵蚀性能的协同提升，以及大型复杂型面连续梯度结构天线罩的近净尺寸一体化成型，解决了当前梯度结构天线罩成型困难的问题，实现了天线罩结构、性能梯度连续变化。

技术领域

本发明属于高温透波氮化物陶瓷天线罩及其制备方法，涉及一种对称连续梯度结构氮化硅陶瓷天线罩及制备方法，具体涉及一种氮化硅陶瓷天线罩的对称连续梯度结构多尺度设计及其一体化近净尺寸成型制备方法。

背景技术

天线罩位于飞行器的机舱鼻部，作用是保护内部雷达天线的正常有效工作，既是飞行器的结构件，也是制导系统的重要组成部分。高速飞行器天线罩服役环境苛刻，在飞行器飞行过程中既要承受因加速度引起的机械应力和因气动加热产生的高温，又要面临大气中雨滴的侵蚀和粒子的碰撞，同时作为传输电磁波的通道，还须保证信号的正常传输。天线罩在这样恶劣的环境下保护飞行器通讯、遥测、制导、引爆等系统正常工作，是一种集防热、透波、承载、耐候等高性能要求为一体的结构/功能部件，相应地，天线罩用材料也应满足上述多功能一体化要求。氮化硅陶瓷材料因其优良的耐高温、耐腐蚀和力学性能，以及适中的介电常数被公认为最合适的高速飞行器天线罩用候选材料之一。

天线罩的透波性能与其罩壁结构密切相关。典型的宽频透波天线罩的罩壁结构分为三种：薄壁结构、夹层结构和梯度结构。薄壁结构天线罩的透波性能优良，但是由于天线罩壁厚较薄，很难实现宽频透波与力学性能协同；夹层结构通过对不同层的材料体系与厚度进行设计，可以实现宽频透波，目前已成功应用于低马赫数导弹天线罩。但是由于不同层材料的热物理性能差别较大，当该种结构应用于高马赫数导弹天线罩时容易出现各层热失配问题，从而无法满足耐高温与宽频透波协同的使用需求；梯度结构可以看作是由多层介电材料按照梯度的介电性能变化顺序组合而成，其不仅具有介电可设计性，能够满足宽频透波需求，而且具有优良的热应力缓和特性，可以防止在高温环境使用时由于层间热应力而导致的材料破环，因而具有较好的耐高温性能和抗热震性能，满足高马赫数导弹天线罩使用需求。目前，有关梯度结构氮化硅陶瓷天线罩的研究鲜见报道，亟待发展该项技术以满足耐高温、宽频透波、兼顾承载的使用需求。

目前梯度结构天线罩的制备工艺主要包括变密度坯体共烧结工艺、多层粘结工艺和表面涂层工艺。其中，Verzemnieks等人(VERZEMNIEKS J,SIMPSON FH.Silicon nitridearticles with controlled multi density regions；美国US5103239[P].1992-04-07)通过控制造孔剂含量调控陶瓷密度，采用坯体共烧结法制备了密度为0.9～1.8g/cm³的梯度结构氮化硅陶瓷天线罩；波音公司(KOETJE EL,SIMPSON FH,SCHORSCH JF.Broadband hightemperature radome apparatus；美国US4677443[P].1987 06 30)采用孔道成型法，通过控制材料孔隙率来调控材料密度，制备了梯度结构氮化硅陶瓷天线罩。上述工艺的关键在于变密度坯体的一体化成型，这种工艺控制难度大，而且烧结过程中的体积收缩使得天线罩型面难以实现精确控制。

Goto等人与Leggett等人(GOTO T,FUJI A,KAWAI C.Radome；美国US 6091375[P].2000-07-18；LEGGETT H.Ceramic broadband radome；美国US 4358772[P].1982-11-09)分别在多孔氮化硅陶瓷芯层表面制备了致密的涂层以形成梯度结构氮化硅陶瓷天线罩。但是由于涂层与芯层之间缺乏有效的连续过渡层，导致层间热物理性能难以匹配。