天線罩陶瓷錐體裂紋分析

苗蓉麗 ，韓 露

(1. 中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2. 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引 言

空空導(dǎo)彈天線罩是導(dǎo)彈彈體的一個完整的艙段——導(dǎo)彈的頭部，又在制導(dǎo)系統(tǒng)中起著保護導(dǎo)引頭天線的作用，所以它不但需要滿足導(dǎo)彈氣動外形、導(dǎo)彈飛行時所承受的熱載荷和機械載荷及惡劣環(huán)境的要求，還需要滿足導(dǎo)彈控制回路所需要的苛刻電氣性能的要求[1]。石英陶瓷材料具有優(yōu)異的耐熱性、適宜的力學(xué)性能、穩(wěn)定的低介電常數(shù)和介電損耗，優(yōu)異的抗熱沖擊性，極低的熱膨脹系數(shù)，以及較好的化學(xué)穩(wěn)定性，成為超音速空空導(dǎo)彈天線罩的首選材料之一[2-3]，但它存在材料脆性大，損傷容限低的缺點，在使用維護中需嚴加小心，避免意外碰撞[4]。

飛機帶彈訓(xùn)練降落后，發(fā)現(xiàn)一枚某型導(dǎo)彈天線罩陶瓷錐體表面出現(xiàn)裂紋(見圖1)，嚴重影響了戰(zhàn)備訓(xùn)練的正常進行。天線罩陶瓷錐體材料為帶有有機防護涂層的石英陶瓷，通常，這種脆性材料的斷口分析不同于具有成熟理論的金屬材料，未見有相關(guān)的報道[5-7]。本文采用掃描電鏡對天線罩陶瓷錐體裂紋斷口的宏觀形貌、微觀組織進行了觀察與分析，確定開裂損傷的原因，為外場大型陶瓷制件故障分析提供了依據(jù)。

圖1 陶瓷錐體裂紋分布展開示意圖Fig.1 Schematic diagram of the crack distribution of the ceramic cone

1 裂紋形貌

天線罩陶瓷錐體裂紋分布展開示意圖見圖1，目視觀察，可見陶瓷錐體表面存在裂紋，無明顯的磕碰痕跡和基體剝落現(xiàn)象，裂紋頂部距離天線罩頂部約46 mm，左側(cè)裂紋長約327 mm，右側(cè)裂紋長約345 mm。

裂紋左側(cè)(距離天線罩頂部約140 mm位置)還存在一條沿周向擴展的細小裂紋，裂紋長度約為20 mm，與主裂紋交匯。

2 斷口分析

2.1 宏觀形貌

陶瓷材料為脆性材料，為避免二次損傷，對裂紋區(qū)域進行保護，采用機械手段將裂紋打開，對斷口進行觀察，結(jié)合裂紋形態(tài)、走向以及裂紋斷口形貌判斷，裂紋源區(qū)位于天線罩陶瓷錐體外表面裂紋交匯處，宏觀可見源區(qū)不平齊，存在向左右兩側(cè)發(fā)散的擴展棱線，見圖2；源區(qū)附近擴展區(qū)斷口平齊，較為細膩，遠離源區(qū)擴展區(qū)呈斜斷口，較為粗糙，為快速擴展區(qū)，整個擴展區(qū)形貌較為相似，具有典型脆性斷裂特征[8]，見圖3。

2.2 微觀形貌

采用掃描電鏡分別對裂紋斷口及表面進行觀察，結(jié)果如下。

裂紋源區(qū)斷口不平齊，可見明顯向左右兩側(cè)擴展棱線，源區(qū)附近的擴展區(qū)較為平坦，遠離源區(qū)擴展區(qū)較為粗糙，可見擴展棱線，整個斷口均未見明顯的燒結(jié)氣孔、疏松、微裂紋等材料缺陷，整個斷口呈脆性斷裂特征，見圖4和圖5。

2.3 裂紋源區(qū)微觀分析

圖2 裂紋源區(qū)宏觀形貌Fig.2 Macro-appearance of the origin region

圖3 裂紋擴展區(qū)宏觀形貌Fig.3 Macro-appearance of the extended region: (a) the extended region around the origin region, (b) the extended region far from the origin region

圖4 裂紋源區(qū)微觀形貌Fig.4 Micro-appearance of the origin region

采用掃描電鏡觀察，裂紋源區(qū)附近外表面涂層存在破損痕跡，局部涂層脫落露出陶瓷基體，涂層表面與正常區(qū)域相比存在明顯差異：正常區(qū)域平整光滑，而破損區(qū)域存在明顯的擠壓變形，局部可見多道劃痕；破損區(qū)域表面還可見較多的大小不一、形態(tài)各異的顆粒狀物質(zhì)附著，部分顆粒鑲嵌于天線罩外表面陶瓷基體中；遠離源區(qū)部位表面未見明顯的異物存在，也未見明顯的機械損傷痕跡，見圖6-圖8。

2.4 能譜分析

對天線罩陶瓷錐體正常區(qū)域進行能譜成分分析，主要含有C、O、Al、Si元素，均未見異常元素存在；對裂紋源區(qū)附近損傷區(qū)域外表面顆粒狀附著物區(qū)域進行能譜成分分析，主要含有Fe元素及少量的C、O、Al、Si元素，表明顆粒物為碳素鋼或鑄鐵類物質(zhì)[9]，見圖9。

圖5 裂紋擴展區(qū)微觀形貌Fig.5 Micro-appearance of the extended region

圖6 源區(qū)附近破損區(qū)域形貌Fig.6 Appearance of the broken region

圖7 附著物鑲嵌形貌Fig.7 Appearance of the attached inlays

圖8 涂層表面擠壓變形形貌Fig.8 Appearance of the extruded coating surface

圖9 能譜分析結(jié)果Fig.9 Results of the energy spectrum analysis: (a) the surface of normal region; (b) the surface with attachments

3 結(jié)果與分析

飛機帶彈訓(xùn)練降落后，發(fā)現(xiàn)天線罩陶瓷錐體表面出現(xiàn)裂紋，目視觀察無明顯的磕碰及基體剝落痕跡。采用掃描電鏡對斷口進行了宏觀和微觀分析，整個斷口微觀形貌基本相似，均未見明顯的燒結(jié)氣孔、疏松、微裂紋等材料缺陷，具有典型脆性斷裂特征。

天線罩陶瓷錐體外表面裂紋交匯處為源區(qū)，源區(qū)附近涂層顏色異常，存在明顯的擠壓變形及破損痕跡，局部涂層脫落露出陶瓷基體，涂層表面可見明顯的劃痕，整個破損區(qū)域表面可見較多的大小不一、形態(tài)各異的顆粒物附著或鑲嵌于天線罩陶瓷錐體表面， 能譜分析表明主要含有Fe元素。

綜上所述分析認為，天線罩陶瓷錐體產(chǎn)生裂紋的原因是錐體外表面與鐵質(zhì)金屬塊發(fā)生了碰撞，導(dǎo)致天線罩受到?jīng)_擊力作用發(fā)生開裂損傷，并分別沿軸向和周向擴展。

4 結(jié) 論

(1)天線罩陶瓷錐體裂紋斷口未見明顯的燒結(jié)氣孔、疏松、微裂紋等材料缺陷，呈脆性斷裂特征。

(2)天線罩陶瓷錐體產(chǎn)生裂紋的原因是陶瓷錐體外表面與鐵質(zhì)金屬塊發(fā)生了碰撞，導(dǎo)致陶瓷錐體受到?jīng)_擊力作用發(fā)生開裂損傷，并分別沿軸向和周向擴展。