天线罩陶瓷锥体裂纹分析

苗蓉丽 ，韩 露

(1. 中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2. 航天材料及工艺研究所，北京 100076)

0 引 言

空空导弹天线罩是导弹弹体的一个完整的舱段——导弹的头部，又在制导系统中起着保护导引头天线的作用，所以它不但需要满足导弹气动外形、导弹飞行时所承受的热载荷和机械载荷及恶劣环境的要求，还需要满足导弹控制回路所需要的苛刻电气性能的要求[1]。石英陶瓷材料具有优异的耐热性、适宜的力学性能、稳定的低介电常数和介电损耗，优异的抗热冲击性，极低的热膨胀系数，以及较好的化学稳定性，成为超音速空空导弹天线罩的首选材料之一[2-3]，但它存在材料脆性大，损伤容限低的缺点，在使用维护中需严加小心，避免意外碰撞[4]。

飞机带弹训练降落后，发现一枚某型导弹天线罩陶瓷锥体表面出现裂纹(见图1)，严重影响了战备训练的正常进行。天线罩陶瓷锥体材料为带有有机防护涂层的石英陶瓷，通常，这种脆性材料的断口分析不同于具有成熟理论的金属材料，未见有相关的报道[5-7]。本文采用扫描电镜对天线罩陶瓷锥体裂纹断口的宏观形貌、微观组织进行了观察与分析，确定开裂损伤的原因，为外场大型陶瓷制件故障分析提供了依据。

图1 陶瓷锥体裂纹分布展开示意图Fig.1 Schematic diagram of the crack distribution of the ceramic cone

1 裂纹形貌

天线罩陶瓷锥体裂纹分布展开示意图见图1，目视观察，可见陶瓷锥体表面存在裂纹，无明显的磕碰痕迹和基体剥落现象，裂纹顶部距离天线罩顶部约46 mm，左侧裂纹长约327 mm，右侧裂纹长约345 mm。

裂纹左侧(距离天线罩顶部约140 mm位置)还存在一条沿周向扩展的细小裂纹，裂纹长度约为20 mm，与主裂纹交汇。

2 断口分析

2.1 宏观形貌

陶瓷材料为脆性材料，为避免二次损伤，对裂纹区域进行保护，采用机械手段将裂纹打开，对断口进行观察，结合裂纹形态、走向以及裂纹断口形貌判断，裂纹源区位于天线罩陶瓷锥体外表面裂纹交汇处，宏观可见源区不平齐，存在向左右两侧发散的扩展棱线，见图2；源区附近扩展区断口平齐，较为细腻，远离源区扩展区呈斜断口，较为粗糙，为快速扩展区，整个扩展区形貌较为相似，具有典型脆性断裂特征[8]，见图3。

2.2 微观形貌

采用扫描电镜分别对裂纹断口及表面进行观察，结果如下。

裂纹源区断口不平齐，可见明显向左右两侧扩展棱线，源区附近的扩展区较为平坦，远离源区扩展区较为粗糙，可见扩展棱线，整个断口均未见明显的烧结气孔、疏松、微裂纹等材料缺陷，整个断口呈脆性断裂特征，见图4和图5。

2.3 裂纹源区微观分析

图2 裂纹源区宏观形貌Fig.2 Macro-appearance of the origin region

图3 裂纹扩展区宏观形貌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

图4 裂纹源区微观形貌Fig.4 Micro-appearance of the origin region

采用扫描电镜观察，裂纹源区附近外表面涂层存在破损痕迹，局部涂层脱落露出陶瓷基体，涂层表面与正常区域相比存在明显差异：正常区域平整光滑，而破损区域存在明显的挤压变形，局部可见多道划痕；破损区域表面还可见较多的大小不一、形态各异的颗粒状物质附着，部分颗粒镶嵌于天线罩外表面陶瓷基体中；远离源区部位表面未见明显的异物存在，也未见明显的机械损伤痕迹，见图6-图8。

2.4 能谱分析

对天线罩陶瓷锥体正常区域进行能谱成分分析，主要含有C、O、Al、Si元素，均未见异常元素存在；对裂纹源区附近损伤区域外表面颗粒状附着物区域进行能谱成分分析，主要含有Fe元素及少量的C、O、Al、Si元素，表明颗粒物为碳素钢或铸铁类物质[9]，见图9。

图5 裂纹扩展区微观形貌Fig.5 Micro-appearance of the extended region

图6 源区附近破损区域形貌Fig.6 Appearance of the broken region

图7 附着物镶嵌形貌Fig.7 Appearance of the attached inlays

图8 涂层表面挤压变形形貌Fig.8 Appearance of the extruded coating surface

图9 能谱分析结果Fig.9 Results of the energy spectrum analysis: (a) the surface of normal region; (b) the surface with attachments

3 结果与分析

飞机带弹训练降落后，发现天线罩陶瓷锥体表面出现裂纹，目视观察无明显的磕碰及基体剥落痕迹。采用扫描电镜对断口进行了宏观和微观分析，整个断口微观形貌基本相似，均未见明显的烧结气孔、疏松、微裂纹等材料缺陷，具有典型脆性断裂特征。

天线罩陶瓷锥体外表面裂纹交汇处为源区，源区附近涂层颜色异常，存在明显的挤压变形及破损痕迹，局部涂层脱落露出陶瓷基体，涂层表面可见明显的划痕，整个破损区域表面可见较多的大小不一、形态各异的颗粒物附着或镶嵌于天线罩陶瓷锥体表面， 能谱分析表明主要含有Fe元素。

综上所述分析认为，天线罩陶瓷锥体产生裂纹的原因是锥体外表面与铁质金属块发生了碰撞，导致天线罩受到冲击力作用发生开裂损伤，并分别沿轴向和周向扩展。

4 结 论

(1)天线罩陶瓷锥体裂纹断口未见明显的烧结气孔、疏松、微裂纹等材料缺陷，呈脆性断裂特征。

(2)天线罩陶瓷锥体产生裂纹的原因是陶瓷锥体外表面与铁质金属块发生了碰撞，导致陶瓷锥体受到冲击力作用发生开裂损伤，并分别沿轴向和周向扩展。