天線罩是集透波、承載、隔熱等多功能于一體的組件,隨著高速飛行器的快速發(fā)展,對高溫寬頻天線罩材料的需求日益提高。通過降低材料的介電常數(shù)可拓寬頻帶寬度,低密度多孔氮化硅陶瓷便是通過降低密度來得到低介電常數(shù)材料,從而實現(xiàn)寬頻透波,但是作為陶瓷材料,其脆性問題限制了其在工程上的應(yīng)用。為了實現(xiàn)寬頻透波的研究目標(biāo),解決多孔陶瓷脆性問題,本文從兩種不同的思路開展了寬頻透波材料的設(shè)計、制備及性能研究:(1)以氮化硅短纖維為主要原材料,采用抽濾壓制成型制備了氮化硅短纖維多孔材料,研究了其介電性能和壓縮強度變化規(guī)律,得到了具有良好抗熱震性能的低介電氮化硅短纖維多孔材料;(2)針對寬頻透波,開展了電磁微結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證,系統(tǒng)研究了電磁微結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)、尺寸及與基材匹配關(guān)系對寬頻透波性能的影響規(guī)律,以樹脂為基材制備了2種寬頻透波電磁超材料,對其寬頻透波特性進行了原理性驗證。以氮化硼作為燒結(jié)助劑,高溫?zé)Y(jié)制備了氮化硅短纖維多孔材料。通過控制成型壓力,制備了密度0.35~0.85 g/cm~3的氮化硅短纖維多孔材料,介電常數(shù)在1.4~2.3范圍內(nèi),滿足寬頻透波設(shè)計對材料低介電常數(shù)的要求。研究了氮化硼助劑含量、熱處理制度和坯體密度對氮化硅短纖維多孔材料的介電性能和壓縮強度的影響規(guī)律,隨著氮化硼助劑含量的增加,氮化硅纖維間逐漸形成良好連接,當(dāng)?shù)鸷砍^4wt%時,過多的氮化硼分布在氮化硅纖維間的孔隙中,無法起到燒結(jié)助劑作用;當(dāng)燒結(jié)溫度在1100℃~1500℃變化時,氮化硼燒結(jié)助劑氧化程度逐漸增加,高溫形成的液相促進了氮化硅纖維間的連接,但是氮化硅纖維在1400℃力學(xué)性能開始下降,1500℃開始析晶,因此,選定1300℃為最佳熱處理溫度;當(dāng)?shù)鹬鷦┖繛? wt%,燒結(jié)溫度為1300℃時,氮化硅纖維間形成了良好的結(jié)合,密度0.55 g/cm~3的材料的介電常數(shù)為1.78,1200℃壓縮強度達到5.16 MPa,1400℃壓縮強度為2.16 MPa。氮化硅短纖維多孔材料主要破壞機制為纖維斷裂,經(jīng)過5次1400℃的抗熱震實驗后材料宏觀結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞。對密度0.55 g/cm~3材料的寬頻透波特性和隔熱性能進行了理論預(yù)測,為了兼顧隔熱性能,采用51 mm的六階壁厚設(shè)計,在該設(shè)計條件下,材料面溫1200℃、時間1000 s條件下背溫為71℃,同時在0~60°不同入射角條件下達到5.5GHz頻帶寬度透波率在70%以上。石英纖維/氰酸酯樹脂復(fù)合材料(介電常數(shù)3.3)為基材,設(shè)計了含六邊形縫隙電磁單元的五層結(jié)構(gòu)超材料,電磁單元層間距為6.5 mm,材料總厚度13.1 mm。計算結(jié)果表明:當(dāng)入射角在0°~45°變化時,透波率在70%以上的帶寬達到9.76 GHz以上,具有較寬的頻帶寬度和較高的寬頻透過率。在此基礎(chǔ)上制備了400 mm×400 mm×13.1 mm的寬頻透波電磁超材料,對其寬頻透波性能進行了驗證,實測結(jié)果表明:當(dāng)入射角在0°~45°變化時,透波率在70%以上的頻帶寬度在7.99 GHz以上,與理論計算結(jié)果基本吻合。
【學(xué)位單位】：中國運載火箭技術(shù)研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB34;V25
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 透波材料研究進展
            1.2.1.1 單相陶瓷類透波材料
            1.2.1.2 陶瓷基透波復(fù)合材料
            1.2.1.3 樹脂基透波復(fù)合材料
        1.2.2 傳統(tǒng)寬頻透波的結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究進展
            1.2.2.1 單層寬頻透波結(jié)構(gòu)
            1.2.2.2 夾層壁結(jié)構(gòu)
        1.2.3 電磁微結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究進展
            1.2.3.1 電磁微結(jié)構(gòu)的濾波機理
            1.2.3.2 電磁微結(jié)構(gòu)設(shè)計
    1.3 選題依據(jù)及研究內(nèi)容
2 實驗與研究方法
    2.1 實驗原材料
    2.2 實驗制備流程
        2.2.1 短切氮化硅纖維多孔材料制備流程
        2.2.2 多層電磁結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備流程
    2.3 實驗測試方法
        2.3.1 材料密度測試
        2.3.2 掃描電鏡和能譜測試
        2.3.3 XRD測試
        2.3.4 熱重測試
        2.3.5 紅外測試
        2.3.6 壓縮強度測試
        2.3.7 介電性能測試
        2.3.8 熱擴散系數(shù)和比熱容測試
3 單層寬頻透波結(jié)構(gòu)設(shè)計與氮化硅短纖維多孔材料制備
    3.1 單層寬頻透波結(jié)構(gòu)設(shè)計
        3.1.1 極化方式對透波特性影響
        3.1.2 介電常數(shù)對透波特性影響
        3.1.3 介電損耗對透波特性影響
        3.1.4 材料厚度對透波特性影響
    3.2 氮化硅短纖維多孔材料制備
        3.2.1 氮化硅短纖維分散與氧化
        3.2.2 助劑種類
        3.2.3 氮化硼助劑含量
        3.2.4 熱處理制度
        3.2.5 坯體密度
    3.3 氮化硅短纖維多孔材料性能分析
        3.3.1 介電性能
        3.3.2 壓縮性能
        3.3.3 熱學(xué)性能
        3.3.4 抗熱震性能
    3.4 氮化硅短纖維多孔材料單層平板寬頻透波及隔熱性能預(yù)測
    3.5 本章小結(jié)
4 多層電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗驗證
    4.1 電磁微結(jié)構(gòu)單元設(shè)計
        4.1.1 單元結(jié)構(gòu)選擇及尺寸
        4.1.2 單元尺寸和層間間距優(yōu)化
        4.1.3 介質(zhì)層介電性能的影響
        4.1.4 新型電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計
    4.2 多層電磁結(jié)構(gòu)制備、測試及機理分析
        4.2.1 多層電磁結(jié)構(gòu)實驗制備與測試
        4.2.2 等效電路分析
        4.2.3 場諧振機理分析
    4.3 耐高溫多層電磁結(jié)構(gòu)探索
    4.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
攻讀碩士期間取得的學(xué)術(shù)成果
致謝

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