ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИ РАДИОПРАЗРАЧНИ КЕРАМИЧНИ КОМПОЗИТНИ МАТЕРИАЛИ ЗА АНТЕНИ и обтекатели
Електронно научно списание "WORKINGS OF VIAM"
ФЕДЕРАЛНО ДЪРЖАВНО УНИТАРНО ПРЕДПРИЯТИЕ "ОБЩОБЪЛГАРСКИ НАУЧЕН ИНСТИТУТ ПО АВИАЦИОННИ МАТЕРИАЛИ" ДЪРЖАВЕН НАУЧЕН ЦЕНТЪР НА БЪЛГАРИЯ
Упълномощаване
Разглеждат се разработваните в момента високотемпературни материали за защита от външни въздействия на радиотехнически системи, разположени на самолети и наземни радарни инсталации. Показани са тенденциите в развитието на радиопрозрачните материали. Проучена е научната литература за използваните в момента радиопрозрачни обтекатели на базата на полимерни, кварцови, стъклокерамични и керамични материали. Заключението е, че разработването на нови композитни материали на базата на високотемпературни оксидни керамични матрици е обещаващо.
Работата е извършена в рамките на изпълнението на комплексното научно направление 14.2. „Нови технологии за получаване на свръхвисокотемпературни керамични и метални композитни материали“ („Стратегически насоки за развитие на материалите и технологиите за тяхната обработка за периода до 2030 г.“)
Радиопрозрачните материали са диелектрици, които не променят амплитудата на преминаващата през тях електромагнитна вълна и не предизвикват хаотична промяна на нейната фаза. Прозрачността на тези материали за радиовълни означава, че в работния температурен диапазон те имат много ниски диелектрични загуби и практически не отразяват радиовълните.
Увеличаването на скоростта на самолетите, увеличаването на тяхната маневреност и обхват на целите, възможността за използването им при всякакви метеорологични условия, нарастващите изисквания за радиотехнически характеристики доведоха до необходимостта от радиопрозрачни обтекатели за самолетни антени.устройства с редица механични, термични и радио свойства.
При маневриране на самолет възникват високи механични и термични напрежения в структурата на обтекателя на антената, но изискванията за радиопрозрачност изключват възможността за използване на метали и много други конструктивни материали. Диелектричните материали, използвани за тези цели, трябва да притежават цял набор от свойства, като устойчивост на аеродинамични натоварвания, устойчивост на ерозия, устойчивост на термични натоварвания. В момента разработчиците от различни страни обръщат голямо внимание на проблема за получаване на материали за производството на такива обтекатели, които имат висока якост, висока устойчивост на ерозия, радиопрозрачност и липса на аблация при високи температури, т.е. отстраняване на маса от повърхността на обтекателя чрез високотемпературен високоскоростен газов поток под въздействието на топлина, механични сили и агресивни среди на този поток [1–5].
Широко използван клас радиопрозрачни материали, предназначени за използване при умерени температури, са композитните материали на базата на полимерни матрици. Като пример (фиг. 1) за такива материали могат да се цитират продуктите на АД ИМК Концерн Вега (България) [6].
Фиг. 1. Масово произвеждани антенни обтекатели на базата на полиимидни материали (a) и полимерни пени (b) [6]
Радиопрозрачните материали са предназначени за производство на защитни убежища за антенни системи за различни цели от въздействието на външни фактори, например обтекатели и убежища за различни видове наземни, въздушни и морски базирани антенни системи. Предприятието произвежда композитни полимерни материали с ниски стойности на тангенса на ъгъладиелектрични загуби (˂0.01) на база стъклени тъкани и полимерни матрици. Якостните характеристики осигуряват стабилност на заслона при скорост на вятъра до 50 m/s. Като полимерни матрици се използват полимерни пени и полиимидни материали. Използването на полимерна пяна като пълнител за стените на многослойна структура позволява да се получат структури, които се отличават с изотропни радио характеристики, висока прозрачност и подобрени физични и механични свойства. Полиимидните материали имат високи диелектрични свойства и механични свойства: диелектрична константа ε' не надвишава 3,6; тангенсът на диелектричните загуби tgδ е от 0,005 до 0,006; якост на опън - от 80 до 100 MPa.
Недостатъкът на материалите от този клас е недостатъчно високата работна температура - не повече от 500°C, поради ниските температури на топене на полимерните компоненти на композитния материал.
Има голям брой силно топлоустойчиви материали, които са стабилни в окислителни и редуциращи среди, със стабилни диелектрични характеристики както при ниски, така и при високи температури, на базата на кварцова керамика и стъклокерамични материали. По този начин основните материали на обтекателите на главната антена на високоскоростни радарно-насочвани самолети са кварцова керамика, алумосиликатна керамика, стъклокерамика от литиево-алумосиликатен състав и топлоустойчиви стъклокерамични материали (ситали и ситалокерамика) [7].
Поради наличието на порьозност, кварцовата керамика се използва в обтекателите на самолети, чиято работа включва транспортни и изстрелващи контейнери.
Стъклокерамични материали (ситали) вв момента са най-широко използваните материали за обтекатели на високотемпературни антени и радиопрозрачни прозорци. Ситалите се получават чрез въвеждане на специални добавки в разтопено стъкло (фини прахове от благородни метали, мед, титанов диоксид). Около зърната на тези добавки, които се превръщат в центрове на кристализация на стъклото, при охлаждане на стопилката растат стъклени кристали. Високоякостната стъклокерамика се произвежда главно на базата на стъкла от системите MgO–Al2O3–SiO2 (състави на кордиерит) и Na2O–Al2O3–SiO2 (състави на нефелин) чрез тяхната обемно контролирана кристализация по време на топлинна обработка. В САЩ ситалите са известни под името Piroceram. Те са разработени за първи път от Dow Corning. Piroceram 9606 в момента се използва за производството на антенни обтекатели за наземни и морски инструменти. Този материал е стъклокерамична магнезиево-алумосиликатна система с титанов диоксид като катализатор. Кордиеритът като основна кристална фаза осигурява висока пропускливост на радиовълни, устойчивост на термичен шок и висока якост. Благодарение на високата си твърдост, липса на порьозност и внимателно повърхностно шлайфане, материалът е силно устойчив на ерозия, устойчив на морска вода.
Подобрен материал от клас стъклокерамика е разработен от българското предприятие ОНПП Технология. Стъклокерамичният материал OTM-357, синтезиран в това предприятие на базата на кристализирано литиево-алумосиликатно стъкло, осигури необходимите диелектрични и якостни характеристики на обтекателите в температурния диапазон от -60 до +1000 ° C и показа значително превъзходство по отношение на комбинацията от физически и технически свойства в сравнение с известните преди това стъклокерамика ипирокерами, което позволи да се вземе информирано решение за създаването на ново семейство радиопрозрачни обтекатели за въздушно базирани самолети, базирани на него. Технологията на формоване на черупки чрез плъзгащо леене в гипсови форми (за разлика от традиционното центробежно леене при производството на стъклокерамични обтекатели) направи възможно постигането на по-добри характеристики по отношение на устойчивост на топлина, по-голяма адаптивност към условията на дребномащабно производство. В същото време тази технология се оказа чувствителна към образуването на пукнатини поради влага и термично свиване и газови емисии по време на формоване и изпичане, а също така причини неравномерни физически и технически характеристики на материала по височината на корпуса.
През последните години е натрупан известен опит в производството на изделия от стъклокерамика, решени са много проблеми на материалознанието, което позволява намирането на нови структурни решения в сравнение с други материали. Обтекателите на антената, изработени от стъклокерамика, се използват при скорости ˃3M, този материал може да издържи на спад на температурата със скорост на нагряване от 250–300°C/s. Използваната в момента стъклокерамика обаче има недостатъчна термична стабилност и диелектрични характеристики за работни условия при температура на повърхността от ˃1100°C. Това се дължи на факта, че температурата на омекване на стъклокерамичните материали не надвишава 1500°C. По-нататъшното подобряване на характеристиките на продуктите от стъклокерамични материали и подобряването на технологичния процес на тяхното производство е една от основните насоки за по-нататъшно развитие в областта на създаването на обтекатели за модерни самолети. В момента вниманието на разработчиците е привлечено от огнеупорни материали с точки на топене от 2000 ° C и по-високи. Следователно, за обтекателите на високоскоростни ракети, всичкиПо-често се предлагат керамични материали, които не са подложени на термична ерозия, като силициев нитрид и алуминиева керамика.
Интересът на разработчиците към проблема за създаване на радиопрозрачни материали с работни температури до 2000°C е очевиден. В научната и техническата литература има голям брой доклади и документи за сигурност за материали за радиопрозрачни прозорци и антенни обтекатели. По правило материалите за тази цел са прахообразна керамика на базата на огнеупорни съединения като оксиди, нитриди, бориди, евентуално подсилени с влакна от огнеупорни оксиди. Съвременните технологии позволяват да се получи широк спектър от свойства чрез производство на материали с различна порьозност (от плътни до силно порьозни) и чрез модифицирането им с различни добавки за придаване на специални свойства, а именно с повишена излъчвателна способност, регулируема диелектрична константа и повишена устойчивост на термична ерозия. Слоестата керамика може да съдържа външни плътни слоеве и вътрешен порест слой, както и различни видове керамика [7].
Серия материали на основата на силициев нитрид е разработена от Ceradyne Inc. Компанията произвежда няколко вида обтекатели от материали като стопен силициев диоксид, IRBAS, Ceralloy 147-31N и Ceralloy 147-01EXP. Тези материали се използват в ракетни системи, подложени на високи механични и термични натоварвания, техните диелектрични свойства са стабилни до 1400 ° C [8]. На фиг. Фигура 2 показва външния вид на обтекателите от разтопен силициев диоксид (бял) и силициев нитрид IRBAS (сив). Топеният кварц (SiO2) има ниска топлопроводимост и топлинен коефициент на линейно разширение (TCLE), но показва висока устойчивост на термичен ударякостните му свойства са ниски, а работната температура не надвишава 1100°C. Обтекателят на IRBAS е направен от силициев нитрид (Si3N4), неговите якостни свойства са много по-високи от тези на стопения кварц, диелектричната константа е относително стабилна с повишаване на температурата, но тангенсът на разсейване бързо се увеличава след 1000°C. Материалът Ceralloy ® 147-31N (Si3N4) има по-висока чистота от материала IRBAS, по-добри якостни свойства и по-стабилни електрически характеристики. Ceralloy® 147-01EXP е реакционно синтерован силициев нитрид (Si3N4), неговите якостни свойства са по-високи от кварца, но по-ниски от 147-31N, но има предимството, че неговите диелектрични свойства остават стабилни до 1400°C.
Фиг. Фиг. 2. Обтекатели от стопен кварц (бял) и силициев нитрид IRBAS (сив), произведени от Ceradyne Thermo Materials [8 ]
Ceradyne Inc. и нейното подразделение Ceradyne Thermo Materials правят обтекатели за ракетни оръжия. Технологията за тяхното производство включва приготвяне на прахова смес, формоване на детайла, изпичането му и механична обработка. Основните свойства на тази серия радиопрозрачни материали са представени в таблицата.
Свойства на радиопрозрачни материалиCeradyneInc. [8]