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前言

雷达天线罩是制导武器弹头的重要组成部分，也是保护天线系统不受高速飞行造成的恶劣气动环境影响、正常进行信号传输工作的屏障，是一种集透波、防热、承载和抗蚀等多功能于一体的部件。近年来，国内外的高马赫数弹头雷达天线罩材料多采用石英纤维织物作为透波复合材料的增强相。

对于导弹天线罩材料，能够同时满足力学、热学、介电等性能方面要求的是陶瓷基复合材料体系。就力学性能而言，连续纤维增强陶瓷基复合材料不仅能极大程度地改善陶瓷材料的脆性，提高其力学性能，还能够有效地提高天线罩的结构可靠性、抗热冲击性能。再从介电性能、工艺成本等方面综合考虑，石英纤维、BN纤维是连续纤维增强陶瓷基透波复合材料的增强体较为理想的选择。其中，石英纤维增强陶瓷基复合材料是目前最常见的透波复合材料。

石英纤维的性能特点

石英纤维是一种高性能无机纤维，制备原料为高纯度二氧化硅或天然的石英晶体。它保持了固体石英的部分性能和特点，是一种良好的耐高温材料，并可作为先进复合材料的增强体。石英纤维的纯度很高(≥99.9%)，这使得其具备一些良好的特性，如抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低，且其化学稳定性高，介电性能也较为优良。

典型石英纤维的性能参数

石英纤维具备良好的综合性能，能够用于制备多种复合材料。在制备透波材料时，由于石英纤维的介电常数及损耗角正切都比较低，往往被用作复合材料的增强体。此外，随温度的升高，其弹性模量相应增加，因而确保了透波材料在具有较高的透波率的同时，力学性能不致大幅下降。

与石英纤维复合的陶瓷基体材料

陶瓷材料的工作温度高、抗烧蚀、性能稳定、强度高、且具有适宜的介电性能，与石英纤维复合可以制备出适合高温高马赫飞行的透波材料，因而越来越受到人们的重视。

氧化铝

氧化铝是最早应用于透波领域的陶瓷材料，它的室温和高温结构强度高、硬度大、抗雨蚀和抗粒子性能好。采用石英纤维增强氧化铝陶瓷，不仅可以显著改善氧化铝陶瓷的脆性，还可以获得较好的抗热冲击性。但是，由于氧化铝陶瓷的介电常数始终偏高且随温度的变化过大，因而只适用于Ma<３的导弹。

二氧化硅

二氧化硅的密度小（2.2ｇ/cm^３），热膨胀系数小（0.5×10^-6Ｋ），ε和tanδ值小，且随频率和温度的变化不大，抗热冲击性和环境稳定性优良，其缺点是易吸潮、抗烧蚀性能差、使用温度限于1800℃。采用石英纤维增强二氧化硅材料，既保留了基体的优良特性，又通过纤维增韧提高了强度、减小了密度。石英纤维或织物增强二氧化硅复合材料以其优异的性能成功地应用于Ma>５的导弹天线罩材料。

氮化物

选作石英纤维透波材料的氮化物基体主要是氮化硅和氮化硼材料，它们共同的特点是热稳定性好，抗烧蚀性能优异，能经受Ｍａ＝6～7飞行条件下的热震。但是，氮化硅的相对介电性能偏高，而氮化硼易吸潮和氧化，而且工艺上也难以成型大尺寸构件。因此，对氮化物的研究还处于实验室阶段，没有实际应用的报道。

磷酸盐

石英纤维增强磷酸盐透波材料主要是指石英纤维增强磷酸铝、磷酸铬、磷酸铬铝等复合材料。磷酸盐材料具有良好的力学、物理和电性能，一直是俄罗斯透波材料的研究重点。俄罗斯经过长期的研究，对各种磷酸盐的结构、性能及工艺有较全面的了解，其制备的纤维增强磷酸盐材料已广泛应用于巡航导弹、反导型和战术型导弹及航天飞机上。

石英纤维的生产现状

石英纤维的生产最初源于法国，随后，美日英俄等国也形成了规模化的生产。石英纤维品种繁多，如短切纤维、针织物、布、带、无捻粗纱、纱、棉等。国内最早开始生产石英纤维的是湖北菲利华石英玻璃股份有限公司，是全球少数几家具有石英纤维批量生产能力的制造商，中国航空航天等国防军工领域唯一的石英纤维供应商。目前，该公司已研发出多种石英纤维产品，包括石英纤维纱、超细石英纤维丝、定长石英纤维丝、石英纤维棉、石英纤维布等。

石英纤维及制品
（图片来源：湖北菲利华石英玻璃股份有限公司官网）

石英纤维的制备方法

石英纤维所用的原料是高纯二氧化硅或天然石英晶体，其熔点很高（可达1700多℃）。因此，石英纤维制备方法具有特殊性，目前主要包括直接熔融拉丝法和棒拉丝法两种方法，这里以棒拉丝法为例，简要介绍其制备工艺流程和实验设备，

石英纤维的棒拉丝法制备工艺流程

首先将原料水晶或纯净的二氧化硅粉料放入真空加压电阻炉内，熔融后拉制成细棒（直径2mm左右），拉丝时，首先在石英纤维上涂上一层浸润剂，而后放置于电热或氢氧火焰环境中进行拉丝操作，由此可以获得单丝直径约8μm的原丝，最后，将纤维原丝进行合股加捻，从而获得纤维纱或纤维织物。

其中，拉丝的具体过程可简述如下：液态的高温石英由石英棒底端滴出，拉丝机则保持恒定的转动速率，从而将纤维牵伸和固化，形成连续纤维。石英棒下部形成被称为“丝根”的新月形细丝。需要指出的是，纤维单丝在被拉出之后的过程中温度会有大幅的下降，该效应对产品性能会产生一些影响。

棒拉丝法（气体加热）石英纤维生产设备示意图
1-送棒机；2-气体加热燃烧装置；3-拉丝机；4-石英棒

由拉丝机拉出的那些纤维具有较高的强度，但其抗腐蚀性差，一旦暴露于空气中，在很短的时间内即可能被腐蚀，因而给其收集带来了困难。正是因为这个原因，在实际工艺中需要在纤维拉丝过程中给纤维表面涂抹浸润剂，以起到抑制纤维断丝、飞丝的作用，进而有助于确保拉丝作业正常进行。

石英纤维的浸润剂一般可分为两大类，即用于制备纺织纱的淀粉型浸润剂和制备增强型制品的增强型浸润剂。浸润剂通常为水乳液，含水量在80%以上。需要说明的是，石英纤维原丝丝饼含水量可达10%左右，这些水分在工艺中往往是通过时长约为8~12h的远红外烘干来去除，以避免其对制备工艺带来一些不良的影响。

影响石英纤维质量的主要因素

石英纤维作为透波复合材料的增强体，其性能直接影响着复合材料的性能，这就对石英纤维的的质量提出了严格的要求。石英纤维的质量主要受以下几个方面因素的影响：

第一，原料直接影响着石英纤维的力学性能和抗烧蚀性能；就国内情况而言，制备原料主要包括水晶料、硅石料等。

第二，由于石英玻璃棒往往采用两步电熔法制得，其纯度、几何尺寸、透明度、羟基含量等都会对石英纤维的质量产生显著作用。

第三，拉丝工艺的质量也直接影响着纤维的性能，例如采用氢氧火焰熔融操作时氢、氧纯度、温度、压力等因素。

第四，浸润剂的种类、质量、涂抹的均匀程度和使用量等均显著影响着制备产物的性能。

参考资料：

陈晨，新型石英纤维的表征及其石英基复合材料的制备与性能，国防科学技术大学

刘勇，石英纤维织物结构对二氧化硅基复合材料力学性能影响研究，南京航空航天大学

张雄等，石英纤维透波复合材料的研究进展，空军驻长沙地区军代室

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