中國粉體網(wǎng)訊  高溫透波材料通常是指使用溫度1000K以上，電磁波透過率＞70%的材料，主要用于制備高超聲速飛行器，例如運載火箭、飛船、導(dǎo)彈及返回式衛(wèi)星等。該領(lǐng)域使用透波材料包括兩個部位：天線罩和天線窗。

天線罩大多為圓錐形或半球形，位于導(dǎo)彈的頭部。相較于天線窗，天線罩服役環(huán)境更為苛刻，在飛行器飛行中既要承受因加速度引起的機械應(yīng)力和因氣動熱產(chǎn)生的高溫，又要作為傳輸電磁波的通道，保證信號的正常傳輸；同時還要面臨大氣中雨滴的侵蝕和粒子的碰撞。

天線窗通常為平板或具有弧形表面的板，其位于飛機的側(cè)面以保護內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受損壞。

1高溫透波材料性能要求

（1）優(yōu)異的透波性能。材料應(yīng)具有低的介電常數(shù)（ε）和介電損耗（tanδ），以達到“最大傳輸”和“最小反射”的目的。在0.3～300GHz頻率范圍內(nèi)，材料的ε和tanδ應(yīng)該分別小于4和0.01。同時材料的介電性能不隨溫度、頻率的變化而發(fā)生明顯變化，如溫升100℃，介電常數(shù)變化應(yīng)小于1%。

（2）良好的耐熱性能。材料必須能承受高溫，高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩耐受溫度高達2000℃，材料需具備難熔、抗燒蝕等性能。

（3）良好的抗熱震性能。天線罩在使用過程中，瞬時升溫速率可達100℃/s以上，材料須能承受劇烈熱沖擊。優(yōu)良的抗熱震性能要求材料具有較低的熱膨脹系數(shù)，以減少熱震應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋。

（4）優(yōu)良的力學(xué)性能。材料應(yīng)具有較高的比強度、比剛度和韌性，可承受飛行器高速飛行時的各種應(yīng)力。

（5）經(jīng)得起雨蝕、粒子蝕、輻射等惡劣環(huán)境。

（6）原料易得，易于加工或成形，與其他部件連接性好。

2高溫透波陶瓷材料

隨著導(dǎo)彈等飛行器速率的提升，高溫透波材料從聚合物材料發(fā)展至陶瓷材料。聚合物基復(fù)合材料耐熱性能差，只能應(yīng)用在低馬赫數(shù)的飛行器上，且易老化。陶瓷特有的共價鍵和離子鍵結(jié)構(gòu)使其熔點高、高溫力學(xué)性能良好、介電性能優(yōu)異，是高馬赫數(shù)飛行器天線罩的首選材料。

2.1 單相陶瓷

2.1.1 Al₂O₃陶瓷

優(yōu)點：優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和高的硬度。

缺點：較差的抗熱震性能和高的熱膨脹系數(shù)以及介電常數(shù)隨溫度的升高變化較大等。

2.1.2 石英陶瓷

優(yōu)點：目前已知陶瓷材料中透波性能最好的，具有較低的介電常數(shù)（3.25～3.35）和損耗（＜5×10^-3），且其介電常數(shù)和介電損耗隨溫度的升高變化非常小，同時其具有較低的密度、低的熱膨脹系數(shù)。

缺點：抗熱沖擊性能不足且力學(xué)性能差。

2.1.3 Si₃N₄陶瓷

優(yōu)點：綜合性能優(yōu)異，具有高比強、耐高溫、抗熱震、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕和沖蝕等特性。

缺點：介電常數(shù)偏高，現(xiàn)有制備工藝下的Si₃N₄陶瓷機械加工困難，介電常數(shù)隨著密度的增大而升高。

2.1.4 BN陶瓷

優(yōu)點：h-BN俗稱“白石墨”，其熱穩(wěn)定性優(yōu)異（3000℃以上溫度分解）、抗熱震性良好、電阻率高（10⁷～10⁹Ω·cm）、介電常數(shù)和介電損耗低（4.5和3×10^-4）、熱膨脹系數(shù)小（3.2×10^-6K^-1）。

缺點：強度整體偏低（96MPa），抗氧化性差，抗雨蝕性差，含B₂O₃雜質(zhì)的BN極易吸潮而使其綜合性能下降。

2.1.5 AlN陶瓷

優(yōu)點：熱膨脹系數(shù)與硅相近，介電常數(shù)和強度與Al₂O₃陶瓷相近，熱導(dǎo)率更高，熱膨脹系數(shù)更低。

缺點：燒結(jié)困難、易水解、易氧化和介電常數(shù)需進一步降低。

2.1.6 Si-O-N陶瓷

優(yōu)點：Si₂N₂O是Si-O-N體系中的穩(wěn)定相，與SiO₂和Si₃N₄相比，具有更高的抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性。在1600℃的高溫中依然保持其良好的抗氧化性能，臨界抗熱震溫度達到1000℃以上，多孔Si₂N₂O陶瓷還具有極低的熱膨脹系數(shù)（a=1.26×10^-6℃^-1，b=3.89×10^-6℃^-1，c=3.99×10^-6℃^-1）。

缺點：在超高溫條件下會發(fā)生分解，特別是當溫度超過1700℃時，會加速Si₂N₂O分解，產(chǎn)生高溫相的β-Si₃N₄與SiO₂。

氮氧化硅與常用高溫陶瓷材料的性能比較（來源：杜姣龍.Si₂N₂O基透波陶瓷材料的制備及性能研究）

2.2 復(fù)相陶瓷

單相陶瓷可通過引入具有低介電常數(shù)的第二相材料進一步改善其性能。低介電常數(shù)的陶瓷材料主要有BN和SiO₂，將其引入單相陶瓷中形成復(fù)相陶瓷，既有利于提高材料透波性能，又有可能保持其力學(xué)性能。

2.2.1 莫來石陶瓷

莫來石陶瓷是Al₂O₃-SiO₂二元體系中僅有的一種穩(wěn)定存在的化合物。具有耐高溫、抗熱沖擊性能好、耐化學(xué)腐蝕性好、低介電常數(shù)（6.4~7.0）及力學(xué)性能良好等優(yōu)異性能。

2.2.2 BN-SiO₂

BN與SiO₂復(fù)合：利用BN改善SiO₂的韌性和抗燒蝕性能；利用SiO₂調(diào)整BN的導(dǎo)熱性，降低材料的燒結(jié)難度。

BN-SiO₂復(fù)相陶瓷性能（來源：崔雪峰等.氮化物基陶瓷高溫透波材料的研究進展）

2.2.3 BN-Si₃N₄

BN陶瓷與Si₃N₄陶瓷復(fù)合：BN的引入可以降低Si₃N₄陶瓷的介電常數(shù)，提高其摩擦性能；Si₃N₄的引入可以提高BN陶瓷的力學(xué)性能和抗雨蝕性能。

BN-Si₃N₄復(fù)相陶瓷性能（來源：崔雪峰等.氮化物基陶瓷高溫透波材料的研究進展）

2.2.4 SiO₂-Si₃N₄

Si₃N₄陶瓷與SiO₂陶瓷復(fù)合：利用Si₃N₄可以提高SiO₂陶瓷的強度；利用SiO₂可以降低Si₃N₄陶瓷的介電常數(shù)，提高其透波性能。

SiO₂-Si₃N₄復(fù)相陶瓷性能（來源：崔雪峰等.氮化物基陶瓷高溫透波材料的研究進展）

2.3 陶瓷基復(fù)合材料

通過在陶瓷中引入各種增韌相（顆粒、晶須和纖維等）制備出性能更為優(yōu)異的陶瓷基復(fù)合材料。其中，纖維增強陶瓷基復(fù)合材料在材料斷裂過程中會發(fā)生纖維橋連、拔出效應(yīng)，可最大程度提高陶瓷的韌性和可靠性。

目前，高溫透波纖維主要有石英纖維、Al₂O₃纖維、BN纖維、Si₃N₄纖維和SiBN纖維等。

幾種典型透波纖維性能（來源：崔雪峰等.氮化物基陶瓷高溫透波材料的研究進展）

2.3.1 石英纖維/石英復(fù)合材料

SiO_2f/SiO₂由石英連續(xù)纖維增強體和SiO₂基體組成，是目前國內(nèi)外最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的陶瓷基透波復(fù)合材料。

2.3.2 氧化鋁纖維/氧化物復(fù)合材料

氧化鋁纖維增強氧化物復(fù)合材料采用的增強纖維主要包括純α-Al₂O₃纖維、莫來石纖維和硅酸鋁纖維，其中純氧化鋁纖維線膨脹系數(shù)大、介電常數(shù)高且耐燒蝕性能差，一般不單獨用作透波復(fù)合材料的增強體。

氧化鋁纖維增強氧化物復(fù)合材料的陶瓷基體主要有α-Al₂O₃、莫來石（3Al₂O₃·2SiO₂）、堇青石、ZrO₂、鋰鋁硅（LAS）玻璃陶瓷和鋇鋁硅（BAS）玻璃陶瓷等。

國外已商品化部分氧化鋁纖維增強氧化物陶瓷基復(fù)合材料性能（來源：蔡德龍等.高溫透波陶瓷材料研究進展）

2.3.3 氮化物纖維/氮化物復(fù)合材料

氮化物纖維/氮化物透波復(fù)合材料主要有Si₃N₄、BN和SiBN三種材料體系（包括纖維和基體）。

BN纖維具有耐高溫、介電性能優(yōu)異、耐腐蝕和可透紅外和微波等特性，在2500℃以內(nèi)的惰性氣氛中能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不發(fā)生分解/升華。其缺點是力學(xué)性能偏低，最高拉伸強度僅1.4GPa左右，且在空氣中900℃以上會發(fā)生劇烈氧化，僅適用于對力學(xué)性能要求不高，而耐溫性要求極高的航天飛行器透波部件。

Si₃N₄纖維不但具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，而且抗氧化、熱膨脹系數(shù)低、介電性能適中，是一種重要的氮化物透波纖維。Si₃N₄纖維可在1300℃下長時間使用，在1400℃下短時間使用。

硅硼氮（SiBN）纖維兼具了Si₃N₄纖維和BN纖維的優(yōu)點，具有抗氧化、高溫強度和模量保持率高、高溫透波及耐燒蝕等優(yōu)異性能。SiBN纖維組成結(jié)構(gòu)有天然優(yōu)勢，Si元素引入可提高材料本征力學(xué)性能，B元素引入可提高材料抗燒蝕性能，同時降低介電性能。是中遠程導(dǎo)彈、超高速飛行器天線罩、天線窗的理想增強材料。

4 結(jié)語

高溫透波陶瓷材料的發(fā)展是未來高超聲速飛行器實現(xiàn)快速、精準飛行的首要條件，而高超聲速飛行器是一個國家在特殊環(huán)境下掌握主動和控制權(quán)的最有效手段之一，是保證未來國家安全、領(lǐng)土完整和保障社會和平、人民生命安全所必須的力量。因此，如何提升陶瓷透波材料的耐溫、高溫透波及承載等特性已成為材料研究學(xué)者所追求的目標。

參考來源：

1、朱海天.空天贏家:高溫透波陶瓷

2、蔡德龍等.高溫透波陶瓷材料研究進展

3、崔雪峰等.氮化物基陶瓷高溫透波材料的研究進展

4、梁關(guān)東.BNNSs增強陶瓷基透波材料的制備及介電性能研究

5、孫富磊.SiBONf/Si3N4透波材料的制備及性能研究

6、杜姣龍.Si2N2O基透波陶瓷材料的制備及性能研究�崳�

7、雷景軒.石英纖維增強石英陶瓷復(fù)合材料制備研究進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）

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