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前言
雷達天線罩是制導武器彈頭的重要組成部分，也是保護天線系統不受高速飛行造成的惡劣氣動環境影響、正常進行信號傳輸工作的屏障，是一種集透波、防熱、承載和抗蝕等多功能于一體的部件。近年來，國內外的高馬赫數彈頭雷達天線罩材料多采用石英纖維織物作為透波復合材料的增強相。
對于導彈天線罩材料，能夠同時滿足力學、熱學、介電等性能方面要求的是陶瓷基復合材料體系。就力學性能而言，連續纖維增強陶瓷基復合材料不僅能極大程度地改善陶瓷材料的脆性，提高其力學性能，還能夠有效地提高天線罩的結構可靠性、抗熱沖擊性能。再從介電性能、工藝成本等方面綜合考慮，石英纖維、BN纖維是連續纖維增強陶瓷基透波復合材料的增強體較為理想的選擇。其中，石英纖維增強陶瓷基復合材料是目前最常見的透波復合材料。
石英纖維的性能特點
石英纖維是一種高性能無機纖維，制備原料為高純度二氧化硅或天然的石英晶體。它保持了固體石英的部分性能和特點，是一種良好的耐高溫材料，并可作為先進復合材料的增強體。石英纖維的純度很高(≥99.9%)，這使得其具備一些良好的特性，如抗燒蝕性強、耐溫性好、導熱率低，且其化學穩定性高，介電性能也較為優良。
典型石英纖維的性能參數
石英纖維具備良好的綜合性能，能夠用于制備多種復合材料。在制備透波材料時，由于石英纖維的介電常數及損耗角正切都比較低，往往被用作復合材料的增強體。此外，隨溫度的升高，其彈性模量相應增加，因而確保了透波材料在具有較高的透波率的同時，力學性能不致大幅下降。
與石英纖維復合的陶瓷基體材料
陶瓷材料的工作溫度高、抗燒蝕、性能穩定、強度高、且具有適宜的介電性能，與石英纖維復合可以制備出適合高溫高馬赫飛行的透波材料，因而越來越受到人們的重視。
氧化鋁
氧化鋁是最早應用于透波領域的陶瓷材料，它的室溫和高溫結構強度高、硬度大、抗雨蝕和抗粒子性能好。采用石英纖維增強氧化鋁陶瓷，不僅可以顯著改善氧化鋁陶瓷的脆性，還可以獲得較好的抗熱沖擊性。但是，由于氧化鋁陶瓷的介電常數始終偏高且隨溫度的變化過大，因而只適用于Ma<３的導彈。
二氧化硅
二氧化硅的密度小（2.2ｇ/cm３），熱膨脹系數小（0.5×10-6Ｋ），ε和tanδ值小，且隨頻率和溫度的變化不大，抗熱沖擊性和環境穩定性優良，其缺點是易吸潮、抗燒蝕性能差、使用溫度限于1800℃。采用石英纖維增強二氧化硅材料，既保留了基體的優良特性，又通過纖維增韌提高了強度、減小了密度。石英纖維或織物增強二氧化硅復合材料以其優異的性能成功地應用于Ma>５的導彈天線罩材料。
氮化物
選作石英纖維透波材料的氮化物基體主要是氮化硅和氮化硼材料，它們共同的特點是熱穩定性好，抗燒蝕性能優異，能經受Ｍａ＝6～7飛行條件下的熱震。但是，氮化硅的相對介電性能偏高，而氮化硼易吸潮和氧化，而且工藝上也難以成型大尺寸構件。因此，對氮化物的研究還處于實驗室階段，沒有實際應用的報道。
磷酸鹽
石英纖維增強磷酸鹽透波材料主要是指石英纖維增強磷酸鋁、磷酸鉻、磷酸鉻鋁等復合材料。磷酸鹽材料具有良好的力學、物理和電性能，一直是俄羅斯透波材料的研究重點。俄羅斯經過長期的研究，對各種磷酸鹽的結構、性能及工藝有較全面的了解，其制備的纖維增強磷酸鹽材料已廣泛應用于巡航導彈、反導型和戰術型導彈及航天飛機上。
石英纖維的生產現狀
石英纖維的生產最初源于法國，隨后，美日英俄等國也形成了規模化的生產。石英纖維品種繁多，如短切纖維、針織物、布、帶、無捻粗紗、紗、棉等。國內最早開始生產石英纖維的是湖北菲利華石英玻璃股份有限公司，是全球少數幾家具有石英纖維批量生產能力的制造商，中國航空航天等國防軍工領域唯一的石英纖維供應商。目前，該公司已研發出多種石英纖維產品，包括石英纖維紗、超細石英纖維絲、定長石英纖維絲、石英纖維棉、石英纖維布等。
石英纖維及制品
（圖片來源：湖北菲利華石英玻璃股份有限公司官網）
石英纖維的制備方法
石英纖維所用的原料是高純二氧化硅或天然石英晶體，其熔點很高（可達1700多℃）。因此，石英纖維制備方法具有特殊性，目前主要包括直接熔融拉絲法和棒拉絲法兩種方法，這里以棒拉絲法為例，簡要介紹其制備工藝流程和實驗設備，
石英纖維的棒拉絲法制備工藝流程
首先將原料水晶或純凈的二氧化硅粉料放入真空加壓電阻爐內，熔融后拉制成細棒（直徑2mm左右），拉絲時，首先在石英纖維上涂上一層浸潤劑，而后放置于電熱或氫氧火焰環境中進行拉絲操作，由此可以獲得單絲直徑約8μm的原絲，最后，將纖維原絲進行合股加捻，從而獲得纖維紗或纖維織物。
其中，拉絲的具體過程可簡述如下：液態的高溫石英由石英棒底端滴出，拉絲機則保持恒定的轉動速率，從而將纖維牽伸和固化，形成連續纖維。石英棒下部形成被稱為“絲根”的新月形細絲。需要指出的是，纖維單絲在被拉出之后的過程中溫度會有大幅的下降，該效應對產品性能會產生一些影響。
棒拉絲法（氣體加熱）石英纖維生產設備示意圖
1-送棒機；2-氣體加熱燃燒裝置；3-拉絲機；4-石英棒
由拉絲機拉出的那些纖維具有較高的強度，但其抗腐蝕性差，一旦暴露于空氣中，在很短的時間內即可能被腐蝕，因而給其收集帶來了困難。正是因為這個原因，在實際工藝中需要在纖維拉絲過程中給纖維表面涂抹浸潤劑，以起到抑制纖維斷絲、飛絲的作用，進而有助于確保拉絲作業正常進行。
石英纖維的浸潤劑一般可分為兩大類，即用于制備紡織紗的淀粉型浸潤劑和制備增強型制品的增強型浸潤劑。浸潤劑通常為水乳液，含水量在80%以上。需要說明的是，石英纖維原絲絲餅含水量可達10%左右，這些水分在工藝中往往是通過時長約為8~12h的遠紅外烘干來去除，以避免其對制備工藝帶來一些不良的影響。
影響石英纖維質量的主要因素
石英纖維作為透波復合材料的增強體，其性能直接影響著復合材料的性能，這就對石英纖維的的質量提出了嚴格的要求。石英纖維的質量主要受以下幾個方面因素的影響：
第一，原料直接影響著石英纖維的力學性能和抗燒蝕性能；就國內情況而言，制備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兩步電熔法制得，其純度、幾何尺寸、透明度、羥基含量等都會對石英纖維的質量產生顯著作用。
第三，拉絲工藝的質量也直接影響著纖維的性能，例如采用氫氧火焰熔融操作時氫、氧純度、溫度、壓力等因素。
第四，浸潤劑的種類、質量、涂抹的均勻程度和使用量等均顯著影響著制備產物的性能。
參考資料：
陳晨，新型石英纖維的表征及其石英基復合材料的制備與性能，國防科學技術大學
劉勇，石英纖維織物結構對二氧化硅基復合材料力學性能影響研究，南京航空航天大學
張雄等，石英纖維透波復合材料的研究進展，空軍駐長沙地區軍代室
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