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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
热防护材料和结构是设计制造飞行马赫数在5~8之间长航时高超声速巡航导弹的关键技术之一，长航时高超声速巡航导弹在高温有氧环境下飞行时间超过3000 s，除要求天线罩材料耐高温、抗热震、透微波等常规要求外，还需解决持续长时间飞行的内部隔热题目。迫切需要发展耐高温、隔热性能良好的新型天线罩材料。高温下辐射传热在材料内部传热中占很大比例，发展阻隔辐射传热的隔热材料，有效减少材料内部辐射传热，可提高材料的耐高温性能，同时提高其高温隔热性能，保护天线罩内设备，进一步提高飞行马赫数和飞行时间。但在抑制高温辐射传热的同时不应影响天线罩材料的电性能。本文探索发展一种红外波段低透过、微波波段高透过的功能涂层材料，满足超高声速、长时间巡航对天线罩材料的需求。本文主要研究内容包括：（1）异相材料的辐射传热和透波理论，即材料红外波段高屏蔽和微波波段高透过的基础理论红外热辐射（波长0.75 µm~10 µm）和微波（毫米波）是不同波段的电磁波，材料具有红外波段高屏蔽和微波波段高透过的特性，其可行性需从理论得到论证。电磁波在通过弥散分布高介电常数颗粒的低介电常数材料时，当颗粒尺寸与入射波长相近时，颗粒对入射波产生强烈散射，此散射为Mie散射。利用高介电常数颗粒的强散射能力，有效散射红外波段热辐射，可以实现红外波段高屏蔽。同时，颗粒的尺寸与微波的波长相差3个数量级，对微波散射很弱，对微波的传输不会造成大的影响。因此，从散射的角度可以实现红外波段高屏蔽与微波波段高透过两者兼容。高介电常数填料物质的引入，会对材料的介电性能产生影响，特别是在高温下，杂质的引入会影响材料的介电损耗，影响材料的透微波性能。由于高介电常数颗粒的引入量小，根据复合材料的介电理论，材料的介电常数增加很小，对天线罩材料介电常数的影响不大，但对材料介电损耗的影响暂无理论可以预测，需实验检测。本文选择介电常数低、耐高温性能好的二氧化硅作为涂层基体材料，在涂层中加入散射性填料，以实现抗热辐射与透微波兼容。利用Mie散射理论和Kubelka-Munk二流传热理论，优化设计了填料颗粒的结构和粒径分布。计算了TiO2实心球、SiO2@TiO2核壳球及TiO2空心球在0.75 µm~10 µm红外波段的散射特性，优化了散射0.75 µm~10 µm波段红外热辐射所需填料的最佳粒径分布。结果表明，核壳结构和空心结构颗粒的散射能力优于实心球颗粒，半径在0.3 µm~1.8 µm，壳厚在100 nm~300 nm的SiO2@TiO2核壳结构颗粒具有最优的散射能力。（2）抗热辐射与透微波兼容材料体系、结构的设计与制备。首先依据理论优化结果，制备核壳结构粒子。利用多步生长法制备了粒径在0.3 µm~2 µm左右、单分散性良好的SiO2微球，以此微球为核，利用钛酸丁酯（TBOT）水解，控制水解速度，最终在SiO2核表面包覆一层厚度30~100 nm的TiO2壳层。因难以制备粒径在3 µm左右SiO2微球，后采用粒径在5µm左右的商用SiO2微球为核，在其表面制备了100~300 nm的TiO2壳层。所得的核壳结构颗粒经550 ℃煅烧后，经XRD分析表明TiO2转变为锐钛矿相。其次，制备二氧化硅涂层。首先制备二氧化硅溶胶，加入粒径在30µm左右的二氧化硅颗粒作为支撑材料，大粒径二氧化硅颗粒的加入，可有效解决成膜过程中涂层容易开裂的题目。溶胶中加入5 vol%的SiO2@TiO2核壳结构粒子，在石英玻璃基底上制备了厚度在50~100 µm左右、致密、无脱落、无宏观裂纹的二氧化硅涂层。（3）涂层材料热、电性能测试利用傅立叶红外光谱仪（FTIR）和热反射比方法考核涂层热性能。红外测试结果表明，加入5 vol%SiO2@TiO2核壳填料的涂层比未加入核壳填料的涂层相比，可以减少大约80%的红外热辐射量。热反射比试验结果表明，当环境温度为26.6 ℃，标准黑板温度为87.1 ℃，加入核壳填料的涂层样品温度比未加入核壳填料的涂层样品平衡温度低2.6 ℃。采用高Q腔法测试了添加核壳结构填料涂层样品的介电性能，研究结果表明SiO2@TiO2核壳填料的引入未对涂层的介电常数和介电损耗产生明显的影响。 |
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发表于 2022-9-5 22:37:25
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