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军工行业导弹产业链之导弹头罩专题研究

发布时间: 2022-08-22 03:13:25 来源:8亿彩官网链接 作者:8亿彩手机版下载

  导弹是一种装有弹头和动力装置、由制导系统控制飞向目标并由战斗 部或直接碰撞杀伤目标的智能武器。现代战争中以导弹为代表的精确 制导武器在各军兵种作战中得到了广泛的应用。 导弹头罩作为导弹最前端的结构件,承担了保持导弹气动外形、防热、 承力、透波等诸多功能,头罩的设计、制造包含了气动、强度、防热、 电磁、材料等多学科技术,是导弹的关键结构件之一。

  按照制导方式划分,导弹主要可以分为:自主制导、遥控制导、寻的 制导、复合制导等,不同制导方式的导弹对头罩的需求也有所不同:

  1)全程自主制导、遥控制导方式的导弹一般没有导引头,头罩设计 主要考虑热防护、结构承力,对头罩透波性能要求较少;

  2)寻的制导、复合制导等导弹包含雷达导引、光学导引设备,除热 防护、结构承力要求外,对头罩透波性能要求较高。

  传统弹道导弹一般采用全程自主制导方式,部分近程防空导弹采用遥 控制导方式,其共同特点是弹体最前端是弹头或设备舱,无寻的导引 设备,其头罩主要作用为防热、承力,无透波要求。

  遥控制导导弹一般为中小型战术导弹,且受雷达作用距离影响,飞行 时间较短,头罩受热温度较低,头罩材料一般选用钢材或轻质合金。

  弹道导弹弹头以高超声速在稠密大气层中飞行时,空气受到强烈的压 缩和剧烈的摩擦作用,弹头的大部分动能转化成为热能,致使弹头周 围的空气温度急剧升高,此高温气体与弹头表面之间产生巨大温差, 部分热能迅速向弹头传递,这种由于物体在大气层中以高速飞行产生 的加热现象,称为“气动加热”。

  随着飞行马赫数的增加,气动加热将更趋严重。例如,洲际弹道导弹 弹头再入大气层时,飞行最大马赫数可在 20 以上,端头驻点区的空 气温度可升高到 8000~10000K,最高压力在 10MPa 左右。在如此恶 劣的环境条件下,要使弹头在重返大气层时不被烧毁,并保证内部核 装置及仪器正常工作,必须采取特殊的防热措施,以确保弹头到达预 定的打击目标。

  准确确定气动加热环境和进行热防护设计一直是研制导弹弹头,尤其 是洲际导弹弹头的重大技术关键,这就是在超声速领域中继解决“音 障”问题之后出现的所谓“热障”问题。解决弹道导弹防热问题的技 术途径主要工程途径有热沉式、烧蚀式 2 种方式。

  热沉式是导弹发展早期采用过的一种防热方式。美国在发展洲际弹道 导弹初期,采用了结构简单的热沉式防热弹头,它选用具有高热容量 的金属,如钨、铂、铜,作为钝卵形弹头吸热帽。 美国的宇宙神、大力神型洲际导弹和雷神中程导弹初期均使用和热沉 式头部。该方案由于吸热量不够大且笨重,在牺牲再入速度、命中精 度和有效载荷的情况下才能达到防热目的,后续导弹应用较少。

  烧蚀式防热是洲际导弹弹头普遍采用的方式,即在弹头金属构件外层 覆盖有足量的烧蚀材料,利用它受热分解、熔化、气化、升华等物化 过程,消耗并带走大量的气动热,减少流向头部的热流,以保护内层 结构。烧蚀现象首先由美国陆军导弹局红石兵工厂在 1955 年发现, 当时在火箭燃气(2570℃)作用下用玻璃纤维增强的三聚氰胺树脂进 行试验,尽管树脂表面被燃气冲刷分层,但是距表面 6.4mm 以下的 部位材料完整无缺,测温热电偶也无变化,这一发现即是烧蚀技术的 先导。烧蚀式防热具有结构简单、重量轻、性能可靠、防热效果好等 优点。

  烧蚀式防热是当前再入飞行器应用最广泛的防热方式,美国宇宙神 E、 F、大力神 I、II,及民兵 I、II、III 等洲际导弹弹头均用烧蚀式。烧蚀 式有熔化型、升华型和碳化型三种类型。

  熔化型烧蚀:石英和玻璃类材料头罩是熔化型烧蚀材料,其主要成份 是 SiO2,在高温下有很高的粘度,熔融后的液态膜具有一定的抵抗高 速气流冲刷的能力,并能继续停留在物体表面形成一稳定的液态层, 继续吸收外界的气动热,并蒸发汽化。由于的汽化潜热很大,每公斤 约三千多大卡,故选用粘度较高的石英纤维、高硅氧玻璃纤维就能充分发挥汽化潜热的吸热作用,从而尽量减少防热层重量,达到较好的 防热效果。

  升华型烧蚀:石墨、碳/碳复合材料、聚四氟乙烯头罩属于升华型烧蚀 材料,它是利用材料直接由固态变成气态或仅经过极短暂的液态阶段 的过程吸收大量热而达到防热目的。升华所吸收的热量比熔化和蒸发 所吸收的热量大得多,并且烧蚀后会在表面留下温度很高的碳层,有 利于热的辐射,所以其防热效果比熔化烧蚀要高。

  碳化型烧蚀:主要是借助于高分子材料的高温碳化吸收热量,并进一 步利用其形成的碳化层辐射散热和阻塞热流。纤维增强酚醛树脂基复 合材料即属于碳化型烧蚀材料。

  在战术导弹中,导引头技术得到了广泛应用,导引头的工作原理是通 过探测目标的反射或辐射能量信息完成对目标的捕获和跟踪,探测模 式主要有可见光、红外、毫米波和激光等类型。根据所探测目标反射 (辐射)能量的来源不同,导引头可分为主动式、半主动式、被动式 以及复合式。

  寻的制导导弹按照导引头类型可分为雷达导引头、光学导引头两大 类,两类导引头各具优势,在各种导弹中获得了广泛的应用。

  雷达导引的天线罩一般装于飞行器的头部,其作用是保持气动外形, 保护导引头天线能够正常工作。由于飞行器速度很高,由此带来的气 动力、热载荷非常大,天线罩需集防热、承力及透波等诸多功能于一 身。

  最早应用于飞行器的天线罩可以追溯到二战时期。1941 年,美国制备 了应用于波音 B-18A 飞机上的雷达天线罩,由于飞行速度低,对材料 的耐烧蚀性能要求不高,因此采用了有机玻璃材料。在此基础上,美 国于上世纪 50 年代初采用 E 玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂制备了天 线 以下主动寻的制导导弹。

  着现代战争中攻防双方的节奏不断加快,导弹飞行速度和机动性不 断提高,导弹的气动加热环境变得更加苛刻。有机材料由于其较差的 耐热性已不适用于高马赫数的导弹。相比之下,一些陶瓷材料凭借其 自身的高熔点、良好的高温力学性能、优异的介电性能等逐渐成为高 马赫数导弹天线罩的首选材料。

  新材料科学的进步使得天线罩材料的种类不断丰富、性能不断提高。 近年来,针对单相陶瓷材料普遍存在的韧性差、可靠性不高的缺点, 人们对各种陶瓷材料进行优化设计,通过各种增韧途径制备出了性能 更加优异的陶瓷基复合材料(CMCs),适于制备高超音速的导弹天 线罩。 综上所述,雷达天线罩材料的发展经历了一个从有机材料到陶瓷材 料,从单相陶瓷到陶瓷基复合材料的历程。

  光学精确制导技术可分为可见光、红外和紫外等,光波分辨率高,易 于成像,测量精度高,无多路径影响,隐蔽性好,重量轻,体积小; 但也有受天候影响较大,在大气层内作用距离近的缺点,至今约有 70%的精确制导武器采用了光学精确制导技术。

  光学精确制导技术中常见的有电视成像制导、红外制导、激光制导、 光纤制导、星光制导和光电多模复合制导几种形式。光学导引头的窗 口和整流罩所选用的透光材料除了在所需要的波段透明外,还应当坚 硬、耐用,能抵抗环境应力侵蚀以及快速加速和减速时产生的热冲击, 并且最大限度地传递来自目标的辐射。

  透光材料主要是指对可见光和红外线透明的材料,用于各种基于光探 测的窗口,其中红外光学材料按照透射波段可分为中波材料(0.9~5 μm)、长波材料(8~12μm)两类。

  大多数中波材料在可见光(0.3~0.7um)波段也是透明的,主要光学 材料包括氧化物陶瓷,如 Al2O(蓝宝石) 3 、ZrO2、Y2O3、MgO、MgAl2O4 (尖晶石)、AlON(氮氧化铝)、石英晶体和熔融石英;氟化物晶 体,如 CaF2、MgF2;Si3N4、SiC。

  除此之外,金刚石是一种极具应用潜力的材料,它具有耐高温、耐磨、 导热性极好而不导电、具有除中波红外线以外的优良透过性。

  当前,复合制导模式逐渐成为主流,这样可充分利用各自的优点,获 得尽可能大的作用范围和高的制导精度。一般而言,雷达波头罩对 红外是不透明的,而红外头罩对雷达波则是透明的,因此,红外/ 微波复合头罩的材料应首先考虑红外头罩的特性。

  近年来,空天飞行器技术的逐渐成熟和应用,对头罩材料提出了更高 的要求。空天飞行器是指能够飞行在临近空间或空间执行特定任务并 能长时间驻留的飞行器,是实现快速远程输送、精确打击、远程实时 侦查、持久高空监视、情报搜集和通信中继等任务最为有效的手段。 典型的空天飞行器可以分为三类:可重复使用轨道机动式(SSTO、 TSTO)、高超声速助推滑翔式(HTV)和高超声速巡航式(HCV)。这些飞 行器的飞行速度一般均达到 5 倍音速以上,因而也被称为高超声速飞 行器,是未来航天航空技术新的制高点。

  高速飞行器对头罩材料长时间耐热性能的要求很高。当导弹在低空以 4Ma 速度飞行时,天线Ma 时,罩体温度就会达到 1400℃;当飞行速度达到 8~12Ma 时,弹体表 面温度可高达 2400℃。且飞行过程中天线罩的温度分布不均,头部温 度远高于尾部,有时温差可达上千度。

  2015 年 5 月,为了推进高速打击武器(HSSW)项目,美国空军研究 实验室发布了《高速打击武器技术成熟项目》,高超声速导弹材料、 结构与制造技术是项目的关键技术之一,技术研究目标是开发可用于高速武器方案、能适应高速长时飞行的材料,能保护自身结构的完整 性,确保系统和分系统正常工作,研究可传输射频、光电、红外信号 的头罩和窗口材料、适应射程增加且具有较好耐受能力的耐高温轻质 材料、先进制造工艺技术。

  高超声速飞行器表面温度限制了防热材料的选择范围,因为它们必须 要有较高的熔化或升华或热解温度以及较高的化学潜热,这就要求材 料具有较强的固态化学共价键(如硅、碳、硼等)或金属共价键(如 d 族元素:钛、钨、钽、铼等),另外,较轻的质量也是一个重要方 面,可以减少火箭的能量消耗。因此,在实际应用中,选择被限制在 用硅、碳、硼及其碳化物、氮化物或耐熔氧化物(SiC,B4C,SigN4, Al2O3,SiO2 等)。当前主流防热材料为石英纤维增强石英陶瓷防热 材料。

  为进一步提高纤维增强陶瓷透波材料的使用温度,氮化物纤维增强陶 瓷基复合材料成为耐超高温透波材料研究热点。氮化物纤维包括氮化 硅纤维、氮化硼纤维及硅硼氮纤维,目前纤维制备工艺均不成熟,相 关复合材料方面的研究仍处于探索研究阶段。

  雷达天线罩选材的依据是高强度、高模量、耐候性好、介电性能好等, 其中最主要的是介电性能,具体包括介电常数(ε)和损耗角正切(tan δ)。其中,tanδ越大,电磁波能量在穿透天线罩过程中转化为热量 而损耗的能量就越多;ε越大,电磁波在空气与天线罩壁分界面上的 反射就越大,从而导致镜像波瓣电平增加和传输效率降低。因此,要 求雷达天线罩罩体材料的 tanδ低至接近于零,ε尽可能低,以达到 “最大传输”和“最小反射”的目的。纤维增强树脂基复合材料是一 类集结构、防热、透波于一体的功能复合材料,具有优良的电性能, 介电常数ε和介电损耗 tanδ都很小,且具有足够的力学强度和适当 的弹性模量,是实际应用最广的天线罩材料。其中玻璃纤维又是应用 最为广泛的纤维增强树脂基天线罩材料之一。

  玻璃纤维具有高强度、优良的介电性能、耐腐蚀、吸湿性小以及尺寸 稳定等优点,是天线罩最常用的增强材料,如 E-玻璃纤维、S-玻 璃纤维、D-玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。E-玻璃 纤维是一种无碱玻璃,是最早用于天线罩的增强材料,价格最低,但 其电性能较差;S-玻璃纤维是一种高强玻璃纤维,力学性能是玻璃 纤维中最好的,介电性能中等;D-玻璃纤维又称低介电玻璃纤维, 是国外专门为天线罩研制的一种新型玻璃纤维,ε 和 tanδ 仅次于石英 和高硅氧玻璃纤维,但拉伸强度和模量较其他纤维低;石英玻璃纤维 的介电性能是所有玻璃纤维中最好的,并且能够在较宽的频带范围内 基本不变化,因此可实现天线罩的宽频透波性,在高性能的机载天线 罩上已有应用,但由于价格昂贵,是 E-玻璃纤维的 30-40 倍,使用 不普遍;高硅氧玻璃纤维以 E-玻璃纤维为基体,其 SiO2 含量可达 91%-99%,性能介于 E-玻璃纤维和石英玻璃纤维之间。

  玻璃纤维的生产技术可分为两种:一种为坩埚法(也称二步法),另一种 为池窑法(也称为一步法)。坩埚法是将玻璃等原料融化后制成玻璃球, 再将玻璃球加入坩埚内二次熔融,之后拉制成玻璃纤维丝。这种方法 工序繁杂,需要经过二次熔融,浪费能源,其生产产能逐渐降低,但 是其产品方案调节灵活、投资小、技术要求不高,较适用于中小企业。 池窑法是指将玻璃配合料熔融后直接拉制成玻璃纤维丝。随着池窑法 的发展,我国当前主要使用池窑法生产玻璃纤维。

  早期的飞机和导弹由于飞行速度不高(小于 3Ma),头部由于气动加热 产生的温度在300℃以下,因此采用玻璃纤维增强树脂基复合材料即可 满足要求。速度更高的飞行器,如速度大于 3 马赫数的高超音速导弹 天线罩,开始使用无机材料,如陶瓷和微晶玻璃等。

  微晶玻璃是一种含有大量微晶相和玻璃相的多晶固体材料,也称为玻 璃陶瓷或结晶化玻璃,是介于玻璃和陶瓷之间的一种材料,因此同时 兼具玻璃和陶瓷的优点,与传统的玻璃和陶瓷相比,它在机械强度、 耐腐蚀性、耐热性、耐磨性、抗氧化性、膨胀系数等许多方面都表现 出特别优异的性能。

  1955 年,美国 Corning 公司开发了一种微晶玻璃(Pyroceram9606)透 波材料,其抗热震性能优于传统氧化铝陶瓷,且介电常数随温度和频 率的变化不大。从 20 世纪 60 年代开始,该材料广泛应用于 3~4Ma 的美国导弹天线罩,如“小猎犬”、“鞑靼人”、“百舌鸟”等导弹。 我国中科院上海硅酸盐研究所也于 20 世纪 60 年代研制成功了微晶玻 璃,并成功应用于某型超音速中低空防空导弹。

  微晶玻璃的制备原材料:制备微晶玻璃的原材料和制备其他玻璃品种 的原料基本相同,主要成分有二氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化钠等。 微晶玻璃头罩制备主要的生产工艺如下:基础玻璃组分的设计→原料 的选择→配合料的制备→玻璃配合料的熔化→基础玻璃的成形→玻 璃体的核化与微晶化→微晶玻璃的退火→微晶玻璃的加工。其中,微 晶玻璃材料成形工艺方法又可分为压延法、压制法、浇铸法、烧结法 和浮法。(报告来源:未来智库)

  石英陶瓷是指以石英玻璃或熔融石英为原料,经破碎、成型、烧成等 一系列制作工艺形成的制品。石英陶瓷具备石英玻璃的热膨胀系数 小、热稳定性高等优良特性,而且还具有一些石英玻璃制品所不具备 的性质,如发生少量析晶也仍可使用等,是制造天线罩的优良材料。

  上世纪 50 年代后期,美国 Georgia 理工学院在美国海军的资助下,最 先研制出石英陶瓷,该材料介电常数和介电损耗很低,且对温度和电 磁波频率十分稳定,热膨胀系数低,满足再入环境条件下的热绝缘和 抗热冲击特性要求,同时还可以实现较高的透波率,是一种综合性能 优异的天线罩透波材料。目前,美国的“爱国者”防空导弹和“潘兴 Ⅱ”弹道导弹、意大利的“阿斯派德”空空导弹、俄罗斯的“C-300” 防空导弹等众多型号导弹使用石英陶瓷头罩。

  我国也用石英陶瓷制备了防空导弹天线罩并得到了应用。经过几十年 的研发生产,我国在石英陶瓷制备工艺、性能研究、新工艺及防潮涂 层和天线罩检测等方面均取得了较大进展,石英陶瓷天线罩材料制备 技术水平已处于国际前列。

  石英陶瓷天线罩制备方法: 石英陶瓷天线罩以高纯度石英玻璃管为原材料进行制造,主要制备步 骤有原料粉碎→球磨→制成浆→成型→阴干→烧成(烧成的温度在 1150~1350℃)。 目前,熔融石英陶瓷的成型工艺有注浆成型、注凝成型、等静压成型、 等,其中工业上最常用的是注浆成型和注凝成型。

  注浆成型:注浆成型是将熔融石英陶瓷颗粒悬浮于水中制成浆料,然 后注入石膏模具中,经自然或强制干燥后,即可取出得到素坯。影响 注浆成型的因素有很多,主要有浆料粘度、模具材质和结构以及注浆 工艺。工艺过程包括浆料制备、模具制备以及注浆。注浆成型工艺生 产效率高,适合于大规模工业生产。但是,由于石英陶瓷泥浆与传统 泥浆相比具有固相含量高、触变性强、流动性和悬浮性差等特点,在 注浆成形大尺寸或实心制品时,工艺条件较为苛刻。

  注凝成型:其为建立在传统注浆成型的基础上衍变发展起来新型技 术,20 世纪 90 年代由美国橡树岭国家重点实验室 Omatete 等提出并 研发,其将传统的成型工艺与有机化学理论完美的结合,其是采用凝 胶体系中聚合反应形成高分子网络结构把陶瓷粉体原位固化定型,所 以又称凝胶注模成型。此工艺设备简单、坯体强度高、收缩小、易制 造复杂形状的熔融石英陶瓷产品,与注浆成型相比成型效率更高,近 20 年来发展迅速。注浆成型的熔融石英陶瓷产品具有密度高、结构致 密、强度高、耐磨性好、抗冲刷等特点,适合制造形状简单、密度和 强度要求较高的产品。

  自 20 世纪 80 年代中期开始,纤维增强陶瓷复合材料的研究受到世界 各国研究人员的高度重视。为满足中、远程地地战术和战略导弹天线 罩需求,国内航天材料及工艺研究所(航天 703 所)、山东工业陶瓷 研究设计院、哈尔滨工业大学和上海硅酸盐研究所等单位研制了高硅 氧穿刺织物、石英纤维织物、短切或单向石英纤维增强二氧化硅基复 合材料,其中,3D 编织石英纤维增强石英陶瓷复合材料具有良好的 热、力、电等综合性能,已经获得型号应用。

  该材料特点是介电性能接近石英陶瓷、抗烧蚀和隔热性能优良、力学 性能好、高温至 1000K 力学性能不下降。该材料缺点之一是易吸潮, 吸潮后介电常数及介电损耗变化较大;其二是由于编织及复合工艺特 点,材料均匀性较差,性能存在各向异性;其三是该材料制作天线罩 /窗工艺过程复杂,周期长,成本较高。

  石英纤维编织方法:石英纤维织物选用不同的织物结构和编织参数可 得到不同性能的石英纤维增强体织物。常用的石英纤维增强体织物结 构有穿刺结构、针刺结构、2.5D 结构、三向正交结构等。其中,针刺 织物和穿刺织物的价格相对较低,而 2.5D 织物、三向正交织物具有 良好的力学性能,但是制备周期长,制备成本较高,价格偏贵。

  石英纤维增强陶瓷透波复合材料的制备方法主要有浆料浸渗法、化学 气相渗透法(CVI)和有机先驱体浸渍裂解法(PIP)三种。

  综上所述,玻璃纤维增强复合材料是低速(小于 3Ma)导弹天线罩中 常用的材料。微晶玻璃、石英陶瓷的耐高温性能优于玻璃纤维,是高 速导弹常用的头罩材料。石英纤维增强复合材料的介电性能、防热性 能优异,是高超声速、高性能导弹头罩材料的最佳选择。

  光学透波材料是光学导引头的重要组成部分,红外光学透波材料主要 用来制造透镜、棱镜、窗口和整流罩等光学零部件。

  红外透波材料类型主要分为三大类:单晶、多晶及光学玻璃。红外光 学材料的制备方法也有很多种,如热压法(HP)、熔铸法、热等静 压法(HIP)、化学气相沉积法、垂直梯度凝固法、垂直生长法、烧 结法等。

  蓝宝石具有优良的抗击大雨和沙侵蚀性及理想的光学和力学性能,是 理想的侦察、监视、遥感窗口材料,同时,蓝宝石还具有耐热冲击性 能,也成为了导弹窗口和整流罩的良好选择。

  热交换方法是制备大尺寸优质蓝宝石晶体最重要的制备技术之一。单 晶蓝宝石的制备过程如下: 首先把氧化铝原料和蓝宝石晶种放在钼坩埚中加热至 2040℃以上熔 化;将炉子的加热温度降低,同时将指型冷却器的冷却功率增大时, 就会得到蓝宝石的种子,其中蓝宝石种子是在指型冷却器中通过氦气 进行冷却得到的,整个凝固过程需要几天;之后在低于 2040℃下进行 退火冷却以除去残留杂质,最终得到大尺寸的蓝宝石晶体。

  随着红外技术在航天工业及军事上的应用越来越广泛,急需大尺寸、 耐高温、耐热冲击的红外材料。一般的单晶材料不能适应这样的工作 环境,因此,热压多晶及透明陶瓷红外材料获得了发展。最常用的热 压多晶材料是 MgF2和 ZnS 这两种红外光学材料。

  热压多晶 MgF2是由颗粒分布均匀、粒径适当的高纯氟化镁粉末经高 温、高压加工而成。热压多晶 MgF2,具有良好的偏振作用和红外透 过性能,尤其在 1~7μm 的红外波段上透过率达 90%以上,是良好的 红外光学材料。它具有机械强度高、抗热冲击性强、耐化学腐蚀以及 各向同性等诸多优点,可广泛用于精确制导导弹的红外整流罩、红外 窗口以及民用的红外探测器等。由于其折射率(n=1.34)很低,反射 损失较少,因此用作透镜或者窗口材料时,可以不镀增透膜,也常常 用来作为增透膜材料。

  热压多晶 ZnS 与热压多晶 MgF2性质类似,热压多晶 ZnS 是用硫化 锌粉料经高温高压成型的陶瓷材料,由于其对 8~11.5μm 波段的红 外线有良好的透过性能,也具有机械强度高、抗热冲击性强、耐化学 腐蚀等特点,因此是国内外长波红外精确制导导弹整流罩和其他窗口 的首选材料。由于其折射率较小,反射损失较少,也是常用的增透膜 材料。

  因 MgF2 材料的耐高温及耐冲刷的能力不足,仅能用于飞行速度小于 马赫数 2 的低速导弹、单一红外制导的导弹整流罩。上世纪 50 年代, 出于军事上和商业上的需要,迫切需要一种更耐用的红外透明整流 罩。ZnS 和 ZnSe 这两种材料开始被注意,并使用热压的方法制备了 ZnS 和 ZnSe。但由于热压的方式无法制备大尺寸的材料,并存在较大 的光损失,因此,在 1970 年美国空军开始年寻找新的制造方法。同 时,雷声公司使用化学气相沉积(CVD)方法获得了成功。化学气相 沉积(ChemicalVaporDeposition 简称 CVD)是利用气态或蒸汽态的物质 在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程。在以后的几 年,CVD 材料便取代了热压材料大部分的应用。

  目前研究的透明陶瓷材料主要包括氮氧化铝(AlON)、尖晶石 (MgAl2O4)、亚微米氧化铝(Al2O3)等。 AlON 透明陶瓷不仅具有良好的力学、热学和化学性能,而且其在 0.2~5.0μm 的波长范围(包括紫外区、可见光区和红外光区)处具有 良好的透光性,其理论透过率可达 85%;此外,它还具有良好的光学 和机械各向同性。因此,AlON 透明陶瓷在军事国防和商业众多领域 具有广泛的应用前景。

  AlON、单晶蓝宝石及多晶尖晶石被公认为可适用于 3Ma 以上导弹红 外窗口的三种理想候选材料。相比较而言,单晶蓝宝石的光学、力学 及热物理性能等综合性能最好,但成本最高;透明多晶尖晶石也具有 优异的光学性能且成本也较低,但力学性能不理想;而 AlON 与其他 两种主要的耐高温透红外材料相比性能/价格比是最高的,因而它是高 马赫数导弹的优选材料。

  美国雷神公司在军方资助下对 AlON 进行了深入研究,制备出完全透明的 AlON 陶瓷材料,2002 年,雷神公司将这一技术转让给了 Surmet 公司。目前,Surmet 公司已可生产大尺寸及复杂形状的 AlON 陶瓷。

  国内当前对 AlON、尖晶石材料已有一定研究的单位有上海硅酸盐研 究所、北京人工晶体研究院、西安交通大学、上海大学、大连海事大 学、武汉理工大学、天津津航技术物理研究所(航天 8358 所)等, 其中前两个单位的研究成果较为突出。但目前对 AlON 粉末及陶瓷制 备工艺,尤其是大尺寸、复杂形状 AlON 陶瓷的制备上还存在很多问 题,有待进一步研究。

  金刚石是目前自然界中硬度最大的金属,具有非常好的力学性能。金 刚石化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性,具有较宽的红外透射光谱, 可以在紫外、可见、红外多光谱透射。金刚石是目前导弹、火箭、飞 行器最为理想的窗口材料。

  人工合成的金刚石其光学、电学以及力学性能远不如天然单晶金刚石 的性能。高压高温(HPHT)法合成金刚石,是目前制备单晶金刚石 的主要方法,也实现了商业化。然而,高温高压法合成金刚石,大大 限制了金刚石的尺寸及质量,采用高温高压法制备单晶金刚石的成本 效益需要进一步提高。通过化学气相沉积法(CVD)进行金刚石的合 成,已引起了广泛的关注。目前,制备的 CVD 金刚石常用在涂层, 厚度较薄。现在制备的高质量 CVD 金刚石其红外透过率,已经非常 接近天然金刚石,其导电率甚至比天然金刚石还高。

  采用化学气相沉积在衬底上面制备出金刚石薄膜,主要采用 H2 和甲 烷气体等作为反应气体,然后通过各种不同的能量供应包括微波 (MW)、射频(RF)、激光诱导(LI)、直流(DC)、热灯丝(HF) 和化学激活(CA)等来激活反应的发生,设定气体的量及温度等参数, 在基底表面就会不断生长出金刚石薄膜。其中氢原子(或氧气)是气 相反应中最重要的组分,甲烷和其他碳氢化合物的混合物只是作为碳 原子的供应源。

  总体而言,CVD 金刚石具备的优秀性质,使得其应用领域较为宽广, 但在应用方面,由于技术限制目前主要集中在低端领域,行业未来具 备较大发展潜力。我国 CVD 金刚石行业发展较晚,因此在全球市场 竞争中不具备优势,但在国内,经过多年发展已生成部分优秀企业, 能够满足国内市场需求。且在国内市场中,CVD 金刚石的优点尚未被 全面开发,因此产量相对较低,行业未来仍具备较大发展潜力。预计 未来仍将持续增长,行业的市场规模将会持续扩大。

  总体看来,MgF2 头罩应用较早,透波性也较好,但由于抗热冲击特 性不够高,因此限制了它在更高马赫数导弹方面的应用,当前主要应 用于低速导弹。 ZnS 和 ZnSe 也具备卓越的光学性能,但强度和硬度无法充分地达到 未来窗口应用的要求。

  蓝宝石有很好的机械性能、高抗热冲击性、高硬度和抗磨损等优良特 性,且化学性质非常稳定。因而在军事上的应用得到了快速的发展, 各种机载、舰载、星载、潜基和陆基光电设备均有应用。 尖晶石也有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗冲击、高强度、高硬度等优 点。在近紫外到红外波长范围内有极好的透射性,且其制备工艺发展 至今已基本完善,也已经成为高性能窗口和整流罩的候选材料。

  氮氧化铝(AlON)透过波段从近紫外、可见光一直到中红外,但在 中波红外波长范围内透射率相对较差,其机械强度和硬度与蓝宝石相 近,而制造成本则低于蓝宝石,最近已经应用于光学窗口和整流罩的制造,发展潜力较大。 CVD 金刚石整流罩材料的制备和加工技术上目前仍处于研究阶段,所 取得的大部分研究成果都集中在各实验室和高等院校。

  可以预计,未来的窗口和整流罩材料的发展将以人工合成材料为主, 在紫外、可见光、红外中波和长波都透明,抗热冲击性、环境适应性 更优异的新型材料会不断出现。

  国内从事导弹武器研制的单位主要包括:航天科技集团、航天科工集 团、航空工业集团、兵器工业集团等军工央企下属的研究院所。

  根据中国运载火箭研究院(科技集团第一研究院)微信公众号显示, 全院 2018 年度营收突破 500 亿元。我们假设营收年增长率为 10%, 则 2020 年度该院营收约为 600 亿元。另外,根据搜狐新闻,航天科 工二院 2019 年营收 455.38 亿元,较上年增长 16.37%。假设按照 15% 的增速,则航天科工二院 2020 年营收约为 600 亿元。考虑航天一、 二、三、四、八院为主力导弹型号生产院所,按照 600 亿估算产值, 洛阳空导院按照 200 亿估算产值,203 所按照 100 亿估算,则 2020 年 相关院所总产值 3300 亿元。

  假设导弹产值占研究院所总产值比例为 1/3,则 2020 年导弹产值约 1100 亿元;假设头罩占比 2%-5%,则 2020 年头罩市场空间为 22-55 亿元。 根据导弹电气主要供应商航天电器关联交易大幅提升可知,“十四五” 期间,导弹行业高速发展,预计“十四五”期间导弹头罩将随着导弹 行业高景气而保持较快增速。

  雷达头罩产业链包括石英砂等原材料开采、纤维/棒管材生产、陶瓷头 罩或纤维复合材料头罩成型等生产环节。

  在光学头罩领域,由于头罩使用材料种类多、制造方法差别较大,国 内各生产单位的技术优势也不同,具体到特定材质的红外头罩行业产 业而言,产业链集成度较高,即从原材料采购精选、到产品生产成型、 再到研磨精加工往往为一家企业完成。代表性企业有生产氟化镁 /ALON 头罩的中材人工晶体研究院、生产蓝宝石/ZnS 头罩的北京有 色金属研究院、生产尖晶石头罩的天津津航技术物理研究所。

  我国的石英玻璃纤维是应国防工业的要求而发展起来的,其研究始于 1958 年,1960 年采用氧气-乙炔焰拉制出了第一根石英玻璃纤维。我国的石英玻璃纤维取得突破性的发展期为 20 世纪 70 年代末和 80 年 代初。1976 年湖北沙市石英玻璃厂(菲利华前身)以氢氧焰为热源试 制出了直径 20μm 的石英玻璃纤维;1980 年,该厂首先设计了氢氧 高效燃烧器,同时解决了棒的纯度问题,生产的纤维直径已达到 7~ 10μm。在 1984 年,该公司成功生产出直径 3~4μm 的超细石英玻 璃纤维;1987 年,公司采用氢氧焰喷吹工艺生产出超细无渣球石英玻 璃棉。

  经过 20 多年的发展,公司先后开发出石英纤维纱、定长石英纤维丝、 超细石英纤维丝、空心石英纤维、石英棉、石英布、石英纤维薄带、 石英纤维缝线、石英纤维编织套管等多个品种的石英玻璃纤维制品。 目前,公司已成为国家唯一定点的石英玻璃纤维研制生产企业。 在航空航天领域,公司是全球少数几家具有石英玻璃纤维批量生产能 力的制造商之一,也是国内航空航天领域用石英玻璃纤维的主导供应 商。为进一步提升石英玻璃纤维性能,公司根据市场和客户需求,持 续开发石英玻璃纤维系列产品,并延伸石英玻璃纤维产业链,拓展石 英玻璃纤维立体编织、石英玻璃纤维增强复合材料制造领域。

  公司立足于高性能石英玻璃纤维和低成本机织物的技术特点和优势, 开展了先进结构与功能一体化防隔热复合材料和高绝缘石英玻璃纤 维复合材料的研发工作,目前已有三个型号的复合材料产品研发成 功,通过了相关试验的考核,得到了用户的认可;另有多个型号高性 能复合材料项目在研发中,新研项目不论在技术的先进程度上,还是 在应用的广泛程度上均有较大突破。(报告来源:未来智库)

  中材科技是我国特种纤维复合材料的技术发源地,承继了原南京玻璃 纤维研究设计院、北京玻璃钢研究设计院和苏州非金属矿工业设计研 究院三个科研院所五十多年的核心技术资源和人才优势,拥有完整的 非金属矿物材料、玻璃纤维、纤维复合材料技术产业链,是我国特种 纤维复合材料领域集研发、设计、产品制造与销售、技术装备集成于 一体的国家级高新技术企业。公司产品紧扣新能源、航空航天、节能 减排等应用领域。

  3.3.3 中材高新:整合山东工陶院、中材人工晶体研究院优质资源, 实力雄厚

  中材高新由山东工陶院和中材人工晶体院两家国家级转制院所重组 而成,是我国先进陶瓷和人工晶体材料领域的高新技术企业、国家创 新型企业、国家技术创新示范企业。

  公司先后研究开发的数十种新材料、上百种新产品广泛应用于电力、 新能源、节能环保、信息以及航空航天等领域,为我国“载人航天” “嫦娥”“国家点火工程”“天和”等国家重大工程以及国防高新技 术武器提供了关键配套材料,为我国先进陶瓷和人工晶体行业的技术 进步做出了突出贡献。

  公司最近十多年来,积极推进科技成果产业化,先后培育了氮化硅陶 瓷、超特高压电瓷、氧化铝陶瓷、陶瓷平板膜等几个主导产品,在行 业内具有较强市场竞争力。2016 年,公司所属中材电瓷被国资委列为 骨干员工持股试点企业;2018 年,公司入选国企改革“双百行动”企 业。 2021 年,中材高新下属两院积极解决产能瓶颈,军品配套定型 21 个, 氧化铝产品、石英产品收入利润大幅增长,公司整体毛利率大幅提升, 主导产品合格率显著提升。

  3.3.4 河南神玖天航新材料股份有限公司:民营石英纤维技术的后起 之秀

  河南神玖天航新材料股份有限公司位于郑州国家高新技术产业开发 区电子产业园,是一家集科研开发、生产、销售于一体的新兴高科技 研发型企业。公司经多年潜心研究石英纤维核心技术,成功研制出全 自动化生产线,是全国少有的石英纤维规模化生产企业。

  公司与国内十多所高校保持长期研发合作关系,目前企业共申请相关 专利 32 项,其中发明专利 12 项,实用新型专利 20 项。公司是国家 高新技术企业、国家科技型中小企业,科技型雏鹰企业,郑州市科技 型中小企业,国家卫星导航工作委员会委员单位,现为国家玻璃纤维 委员会会员。 公司主营产品品种有:石英纤维纱、布、管、带、棉、毡、短切丝、 缝线 多种规格,被重点应用于航空、航天、船舶、武器 装备、核工业等领域,现为中国几大航天研究院所的石英纤维供应商。

  航天科工三〇六所是中国航天科工集团公司特种材料及工艺研究中心,主要从事航天新材料、新新工艺、新技术的研究和应用,现有树 脂基结构复合材料技术、隐身技术、透波材料及天线罩技术、热防护 材料技术、陶瓷基结构复合材料技术、金属材料特种成型技术、材料 性能检测技术等重点优势专业。

  三〇六所紧密围绕国家重大项目对新材料、新工艺的发展需求,构建 了新一代装备研制主干材料及工艺技术体系,承担了百余个国家重点 项目材料及构件的预先研究、研制和生产任务。

  航天 703 所属于中国航天科技集团公司第一研究院,下设金属材料、 复合材料、焊接工艺、无机非金属材料、高分子材料、检测等多个专 业,从事航天材料的研制及工艺的研究,也是中国航天系统的材料及 工艺中心研究所和材料性能检测和失效分析中心,北京地区复合材料 与构件的研制中心,并被确定为航天系统的特种焊接工艺技术中心、 无损检测工艺技术中心、复合材料构件加工工艺技术中心和表面工程 工艺中心,同时所内建有“先进功能复合材料”国防科技重点实验室。

  3.3.7 湖北三江航天江北机械工程有限公司:参与国家多个重点航天 型号研制与生产

  湖北三江航天江北机械工程有限公司是国有大型骨干企业,隶属于中 国航天科工集团,前身为国营江北机械厂,始建于 1970 年,主营业 务为航天高科技产品研发及制造、线缆成套设备制造、压力容器设计 制造及高性能复合材料研究、生产等。

  公司具有多种航天型号研制和批生产能力,并参与了国家多个重点航 天型号研制与生产,在重大航天高科技防御领域,为祖国的航天事业 做出了突出贡献;已形成的数控加工、冲压成形、旋压成形、热处理、 焊接、表面处理、复合材料、无损检测等八个专业的先进制造技术, 113 个项目获得国家、省部级科技成果奖,并居于行业先进水平。

  公司是专业从事特种陶瓷制品的研制、生产和服务的股份制民营企 业,产品配套于航天科技、航天科工、中航工业集团等,主要从事复 合材料科技领域内的技术开发、技术转让、技术咨询、技术服务,高 性能陶瓷制品的生产、销售,机电产品、计算机软硬件的销售。

  3.3.9 天津津航技术物理研究所:国防光电制导与探测技术领域的核 心研究所

  天津津航技术物理研究所(8358 所)是中国航天科工集团所属的航天 工程应用技术研究所,成立于 1956 年 6 月,是国内早从事红外与激 光技术工程应用研究与产品研发的单位之一,是国防光电制导与探测 技术领域的核心所、骨干所,主要从事航天产品用红外、激光、可见 光的制导与探测系统、特种光学元件、特种光电器件的工程应用研究、 研制和批生产工作。

  3.3.10 成都光明光电股份有限公司:中国领先、世界具有一定影响力的专业性光电材料供应商

  成都光明光电始建于 1956 年,是中国兵器装备集团公司所属重点骨 干企业之一,是中国领先、世界具有一定影响力的专业性光电材料供 应商,生产的产品广泛应用于光电信息以及航空航天、新能源等领域。 公司生产 240 余个品种的光学玻璃,并提供条料、型料、非球面预制 件等不同形态的产品,年产销量位居全球第一,满足了现代光电信息 产品的需求。公司还提供特品玻璃、照明玻璃、电子玻璃以及铂、铑 等贵金属提纯、加工业务。

  有研国晶辉新材料有限公司是有研科技集团下属企业,有研新材 (600206)的全资子公司,其前身为上世纪五十年代成立的有研总院 锗材料研究室,自“十五”以来,累计承担国家纵向科研项目 30 余 项,研究成果获部级科学技术一等奖 3 项、国防科学技术二等奖 1 项、 其他省部级成果奖励 4 项。 公司主要专注于先进红外光学材料和光纤用高纯化学品的研发和生 产,拥有 CVD 沉积、光纤用化学品纯化和光学元件制造等三条生产 线,主要产品包括 CVD ZnS、CVD ZnSe、高纯四氯化锗和四氯化硅、 硫系红外玻璃等,广泛用于红外热成像系统、激光加工设备、光纤预 制棒等高科技领域,生产技术水平居国内领先地位,产品质量达到国 际同类产品的顶级水平,是全球红外光学材料和光纤用高纯化学品主 要供应商之一。

  公司是目前市场上 CVD 工业人造金刚石产品类型加工型贸易企业。 从成立至今,公司产品在航天航空、光学窗口、切削刀具、耐磨部件、 热沉、生物医学、污水处理、宝石首饰等领域得到了广泛的应用并形 成市场。从产品的生长工艺、产品检验、封装包装、高效抵达等每个 环节做到全流程监管,得到国内外企业及用户的普遍认可和高度评 价。

  公司是由河北省科学院激光研究所为主投资成立的专门生产高质量 CVD 金刚石的公司,主要从事低温等离子体和 CVD 金刚石膜技术的 研究与开发,先后承担了国家 863 计划八五、九五、十五期间 项目金刚石膜制备关键设备研制及大面积高光学质量金刚石膜的 制备、加工及应用等课题,此外还承担了多项河北省重大攻关项目 和河北省自然基金项目。公司生产的 CVD 金刚石主要用作砂轮修整 工具坯料、拉丝模芯坯料、光学窗口、散热衬底、刀具坯料、喇叭膜 以及涂层等。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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