大尺寸透波陶瓷构件3D打印技术的发展

分析了现有透波陶瓷构件的制造方法和存在的不足,介绍了发展陶瓷3D打印技术对复杂结构天线罩快速试制以及精密成型的重要意义。阐述了陶瓷3D打印的工艺路线和目前主流的陶瓷3D打印方法,对比分析了不同陶瓷3D打印工艺的优缺点,在此基础上,指出了适合不同结构透波陶瓷构件的3D打印工艺方法。结合导弹天线罩的制造要求,介绍了目前3D打印在设备、材料和工艺等方面存在的不足,提出了大尺寸透波陶瓷构件3D打印技术的发展重点。

高温透波陶瓷材料研究进展

透波陶瓷材料已成为高超声速飞行器天线罩、天线窗等部件的关键候选材料。因此,如何有效提升透波陶瓷材料的耐温、透波、承载等特性是发展高超声速飞行器的关键技术之一。本文针对高超声速飞行器对透波陶瓷材料的技术要求,阐述了透波陶瓷材料的发展历史,着重对现有透波陶瓷材料体系及其透波特性测试方法和原理的研究历史和现状进行了全面回顾,并提出今后的发展方向。本文旨在为未来新一代高超声速飞行器的设计提供参考。

陶瓷透波材料的特性及粘接强度影响研究

陶瓷透波材料除了具备无机材料的表面特性外,还具有满足介电性能的材料密度和孔隙率。陶瓷透波材料特点决定了材料粘接需要进行测试和分析。进行了陶瓷透波材料的粘接试验,从陶瓷透波材料方面分析了影响粘接强度的因素,进行了石英陶瓷(QC)、石英纤维复合陶瓷材料(QFC)、氮化硅陶瓷(SNC)的粘接强度试验,分析了陶瓷透波材料结构、强度、表面粗糙度和表面孔隙对粘接强度的影响。结果表明:硅橡胶胶粘剂对几种陶瓷材料的粘接强度差别在5%~10%,而环氧树脂胶粘剂的粘接强度大于陶瓷透波材料的强度,出现被粘物破坏情况。

天线罩用高温透波陶瓷材料的研究进展

随着我国航空航天和国防事业的极速发展,透波陶瓷材料成为了高马赫数飞行器天线罩、雷达天线窗等关键部件的重要候选材料,是当前材料领域的研究热点之一。本文根据高温高超声速应用场景对透波陶瓷材料的基本性能要求,概述了透波陶瓷材料的发展历史及国内外研究现状,结果表明:均质陶瓷材料因较差的介电性能和高温机械性能等问题面临淘汰,石英纤维织物增强石英复合陶瓷是已投入应用,综合性能最优的高温透波材料。目前透波陶瓷材料仍存在介电性能和机械性能难以协同、透波性能和隔热性能矛盾及成型加工困难等问题,高性能多元氮化物陶瓷和连续纤维增强氮化物基陶瓷是今后高温透波陶瓷材料的发展方向。

透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工表面边缘破损实验研究

针对透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工过程中易出现边缘破损现象,通过不同铣削深度实验研究了边缘破损类型、产生位置以及切深对边缘破损影响,并分析了边缘破损产生机理,最后提出了边缘破损控制方法。结果表明:当切深为0.4~0.8 mm时,边缘破损主要集中于出口棱边和入刀侧边;且脆性域加工过程中随着切深的增加,边缘破损程度呈现增大趋势;降低切深至≤0.3 mm且采用跟随周边走刀方式,并保证入刀处刀尖线速度方向与进给方向夹角不小于90°,可以有效控制边缘破损。研究为提高透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工表面质量提供了技术支撑。

铣削加工透波性Si3N4陶瓷表面质量研究

为了探索透波性Si3N4陶瓷铣削中加工表面创成机理及加工工艺参数对其影响规律,对加工表面形貌和边缘破损特征,以及加工参数与切削力、表面粗糙度、边缘破损的映射关系等开展了试验研究。首先对加工表面形貌进行了分析,由于存在陶瓷粉末去除和破碎性颗粒去除两种形式,造成加工表面形貌结构一种体现为变化平缓,而另一种包含微裂纹、层状结构体等,且存在凹坑、沟槽等缺陷。其次研究了边缘破损形式及产生机理,当刀具运动到出口棱边处,刀尖应力集中处将产生微裂纹,并向工件侧面扩展,从而在加工表面和加工侧面诱导形成边缘破损。最后基于均匀设计试验,分析了工艺条件对加工性能的影响。结果表明:随着切削深度从0. 2增加到0. 5 mm和切削宽度从1增加到4 mm时,x轴切削力呈耦合增长,y轴切削力呈二次方增长;当切削深度和切削宽度分别为0. 2 mm和1 mm、进给速度为500 mm/min时,加工表面粗糙度值最小;转速为2 000 r/min、切削深度和切削宽度最小时,边缘破损幅值最小。此结果可为提高透波性Si3N4陶瓷铣削加工质量提供技术支撑。

透波性Si_3N_4陶瓷铣削过程刀具-工件摩擦特性

透波性Si_3N_4陶瓷是制造天线窗的主要材料之一,铣削过程中刀具-工件摩擦特性与加工表面形貌紧密相关.本文以透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工为研究对象,通过分析加工过程中刀具-工件接触关系得到摩擦接触区域主要集中于切削刃后刀面与工件表面;探究了不同加工机理下接触区域摩擦机理,塑性域加工摩擦机理为粘着摩擦、刀具表面粗糙度波峰犁沟摩擦和陶瓷粉末滚动摩擦,脆性域加工还包含碎裂型陶瓷颗粒犁沟摩擦;在此基础上应用已有的微观表面形态与表面接触的摩擦力及摩擦系数理论给出了Si_3N_4陶瓷与铣刀材料的摩擦系数计算公式;通过实验对分析结果进行了验证.结果表明:透波性Si_3N_4陶瓷加工机理转变的临界切深值大于0.3 mm且小于0.4 mm;摩擦系数计算公式最大误差率为20.46%,能在一定程度上反映加工过程中摩擦特性演化规律;加工机理初始转变阶段,摩擦系数值降低,且摩擦系数对表面粗糙度影响呈现三阶多项式分布规律.该研究为提高透波性Si_3N_4陶瓷铣削加工表面质量提供了参考.

2D Si_(3)N_(4f)/SiBN热透波复合材料的高温性能研究

连续氮化物纤维增强氮化物复合材料在高温下具备优异的力学性能和介电性能稳定性,有希望应用于高超声速飞行器所需的热透波材料。以连续Si_(3)N_(4f)纤维为增强体,化学气相沉积BN为界面层,聚硅硼氮烷(PBSZ)为先驱体,采用先驱体浸渍裂解工艺制备了Si_(3)N_(4f)/SiBN复合材料。研究了复合材料在高温环境中的力学性能与介电性能,结果表明:在900℃以上,氨气气氛裂解时,PBSZ先驱体中的C元素可以被有效去除,其陶瓷产率约为53 wt.%~56 wt.%,其裂解产物中C含量低于0.3 wt.%,Si含量为38.11 wt.%,B元素为7.35 wt.%。Si_(3)N_(4f)/Si BN复合材料的室温弯曲强度为182.3 MPa,1400℃的弯曲强度保留率为44.7%。高温下,纤维的相变是导致复合材料失效的主要原因。介电常数和介电损耗在室温下分别为4.26和4.0×10^(-3),在1200℃时分别为4.89和8.9×10^(-3)。

温度对原位反应制备的Si-B-O-N陶瓷微观结构及力学性能的影响

为满足新型透波陶瓷工程应用需要,利用硼酸脱水得到的氧化硼与氮化硅在1400～1800℃原位反应制备Si-B-O-N陶瓷。借助X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、Fourier变换红外光谱分析仪和扫描电子显微镜研究了热处理温度对Si-B-O-N陶瓷物相组成、结构及力学性能的影响。结果表明:氧化硼和氮化硅的原位反应在1600℃以上完成,所得产物为氮化硼和掺杂硼、氮元素的石英玻璃,其体积分数分别为30%和70%;原位反应结束后,随温度提高,氮化硼生长速率逐渐加快,晶粒尺寸由纳米级逐渐长大为亚微米级,非晶相中硼、氮元素含量逐渐降低;受氮化硼纳米晶强化作用以及非晶相结构影响,在1700℃获得的Si-B-O-N陶瓷力学性能较好。