中国粉体网讯 高温透波材料通常是指使用温度1000K以上，电磁波透过率＞70%的材料，主要用于制备高超声速飞行器，例如运载火箭、飞船、导弹及返回式卫星等。该领域使用透波材料包括两个部位：天线罩和天线窗。
天线罩大多为圆锥形或半球形，位于导弹的头部。相较于天线窗，天线罩服役环境更为苛刻，在飞行器飞行中既要承受因加速度引起的机械应力和因气动热产生的高温，又要作为传输电磁波的通道，保证信号的正常传输；同时还要面临大气中雨滴的侵蚀和粒子的碰撞。
天线窗通常为平板或具有弧形表面的板，其位于飞机的侧面以保护内部结构不受损坏。
1高温透波材料性能要求
（1）优异的透波性能。材料应具有低的介电常数（ε）和介电损耗（tanδ），以达到“最大传输”和“最小反射”的目的。在0.3～300GHz频率范围内，材料的ε和tanδ应该分别小于4和0.01。同时材料的介电性能不随温度、频率的变化而发生明显变化，如温升100℃，介电常数变化应小于1%。
（2）良好的耐热性能。材料必须能承受高温，高马赫数导弹天线罩耐受温度高达2000℃，材料需具备难熔、抗烧蚀等性能。
（3）良好的抗热震性能。天线罩在使用过程中，瞬时升温速率可达100℃/s以上，材料须能承受剧烈热冲击。优良的抗热震性能要求材料具有较低的热膨胀系数，以减少热震应力产生的裂纹。
（4）优良的力学性能。材料应具有较高的比强度、比刚度和韧性，可承受飞行器高速飞行时的各种应力。
（5）经得起雨蚀、粒子蚀、辐射等恶劣环境。
（6）原料易得，易于加工或成形，与其他部件连接性好。
2高温透波陶瓷材料
随着导弹等飞行器速率的提升，高温透波材料从聚合物材料发展至陶瓷材料。聚合物基复合材料耐热性能差，只能应用在低马赫数的飞行器上，且易老化。陶瓷特有的共价键和离子键结构使其熔点高、高温力学性能良好、介电性能优异，是高马赫数飞行器天线罩的首选材料。
2.1 单相陶瓷
2.1.1 Al2O3陶瓷
优点：优异的力学性能、耐腐蚀性能和高的硬度。
缺点：较差的抗热震性能和高的热膨胀系数以及介电常数随温度的升高变化较大等。
2.1.2 石英陶瓷
优点：目前已知陶瓷材料中透波性能最好的，具有较低的介电常数（3.25～3.35）和损耗（＜5×10-3），且其介电常数和介电损耗随温度的升高变化非常小，同时其具有较低的密度、低的热膨胀系数。
缺点：抗热冲击性能不足且力学性能差。
2.1.3 Si3N4陶瓷
优点：综合性能优异，具有高比强、耐高温、抗热震、抗氧化、耐化学腐蚀和冲蚀等特性。
缺点：介电常数偏高，现有制备工艺下的Si3N4陶瓷机械加工困难，介电常数随着密度的增大而升高。
2.1.4 BN陶瓷
优点：h-BN俗称“白石墨”，其热稳定性优异（3000℃以上温度分解）、抗热震性良好、电阻率高（107～109Ω·cm）、介电常数和介电损耗低（4.5和3×10-4）、热膨胀系数小（3.2×10-6K-1）。
缺点：强度整体偏低（96MPa），抗氧化性差，抗雨蚀性差，含B2O3杂质的BN极易吸潮而使其综合性能下降。
2.1.5 AlN陶瓷
优点：热膨胀系数与硅相近，介电常数和强度与Al2O3陶瓷相近，热导率更高，热膨胀系数更低。
缺点：烧结困难、易水解、易氧化和介电常数需进一步降低。
2.1.6 Si-O-N陶瓷
优点：Si2N2O是Si-O-N体系中的稳定相，与SiO2和Si3N4相比，具有更高的抗氧化性、化学稳定性和抗热震性。在1600℃的高温中依然保持其良好的抗氧化性能，临界抗热震温度达到1000℃以上，多孔Si2N2O陶瓷还具有极低的热膨胀系数（a=1.26×10-6℃-1，b=3.89×10-6℃-1，c=3.99×10-6℃-1）。
缺点：在超高温条件下会发生分解，特别是当温度超过1700℃时，会加速Si2N2O分解，产生高温相的β-Si3N4与SiO2。
氮氧化硅与常用高温陶瓷材料的性能比较（来源：杜姣龙.Si2N2O基透波陶瓷材料的制备及性能研究）
2.2 复相陶瓷
单相陶瓷可通过引入具有低介电常数的第二相材料进一步改善其性能。低介电常数的陶瓷材料主要有BN和SiO2，将其引入单相陶瓷中形成复相陶瓷，既有利于提高材料透波性能，又有可能保持其力学性能。
2.2.1 莫来石陶瓷
莫来石陶瓷是Al2O3-SiO2二元体系中仅有的一种稳定存在的化合物。具有耐高温、抗热冲击性能好、耐化学腐蚀性好、低介电常数（6.4~7.0）及力学性能良好等优异性能。
2.2.2 BN-SiO2
BN与SiO2复合：利用BN改善SiO2的韧性和抗烧蚀性能；利用SiO2调整BN的导热性，降低材料的烧结难度。
BN-SiO2复相陶瓷性能（来源：崔雪峰等.氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展）
2.2.3 BN-Si3N4
BN陶瓷与Si3N4陶瓷复合：BN的引入可以降低Si3N4陶瓷的介电常数，提高其摩擦性能；Si3N4的引入可以提高BN陶瓷的力学性能和抗雨蚀性能。
BN-Si3N4复相陶瓷性能（来源：崔雪峰等.氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展）
2.2.4 SiO2-Si3N4
Si3N4陶瓷与SiO2陶瓷复合：利用Si3N4可以提高SiO2陶瓷的强度；利用SiO2可以降低Si3N4陶瓷的介电常数，提高其透波性能。
SiO2-Si3N4复相陶瓷性能（来源：崔雪峰等.氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展）
2.3 陶瓷基复合材料
通过在陶瓷中引入各种增韧相（颗粒、晶须和纤维等）制备出性能更为优异的陶瓷基复合材料。其中，纤维增强陶瓷基复合材料在材料断裂过程中会发生纤维桥连、拔出效应，可最大程度提高陶瓷的韧性和可靠性。
目前，高温透波纤维主要有石英纤维、Al2O3纤维、BN纤维、Si3N4纤维和SiBN纤维等。
几种典型透波纤维性能（来源：崔雪峰等.氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展）
2.3.1 石英纤维/石英复合材料
SiO2f/SiO2由石英连续纤维增强体和SiO2基体组成，是目前国内外最为成熟、应用最为广泛的陶瓷基透波复合材料。
2.3.2 氧化铝纤维/氧化物复合材料
氧化铝纤维增强氧化物复合材料采用的增强纤维主要包括纯α-Al2O3纤维、莫来石纤维和硅酸铝纤维，其中纯氧化铝纤维线膨胀系数大、介电常数高且耐烧蚀性能差，一般不单独用作透波复合材料的增强体。
氧化铝纤维增强氧化物复合材料的陶瓷基体主要有α-Al2O3、莫来石（3Al2O3·2SiO2）、堇青石、ZrO2、锂铝硅（LAS）玻璃陶瓷和钡铝硅（BAS）玻璃陶瓷等。
国外已商品化部分氧化铝纤维增强氧化物陶瓷基复合材料性能（来源：蔡德龙等.高温透波陶瓷材料研究进展）
2.3.3 氮化物纤维/氮化物复合材料
氮化物纤维/氮化物透波复合材料主要有Si3N4、BN和SiBN三种材料体系（包括纤维和基体）。
BN纤维具有耐高温、介电性能优异、耐腐蚀和可透红外和微波等特性，在2500℃以内的惰性气氛中能保持结构稳定，不发生分解/升华。其缺点是力学性能偏低，最高拉伸强度仅1.4GPa左右，且在空气中900℃以上会发生剧烈氧化，仅适用于对力学性能要求不高，而耐温性要求极高的航天飞行器透波部件。
Si3N4纤维不但具有优异的高温力学性能，而且抗氧化、热膨胀系数低、介电性能适中，是一种重要的氮化物透波纤维。Si3N4纤维可在1300℃下长时间使用，在1400℃下短时间使用。
硅硼氮（SiBN）纤维兼具了Si3N4纤维和BN纤维的优点，具有抗氧化、高温强度和模量保持率高、高温透波及耐烧蚀等优异性能。SiBN纤维组成结构有天然优势，Si元素引入可提高材料本征力学性能，B元素引入可提高材料抗烧蚀性能，同时降低介电性能。是中远程导弹、超高速飞行器天线罩、天线窗的理想增强材料。
4 结语
高温透波陶瓷材料的发展是未来高超声速飞行器实现快速、精准飞行的首要条件，而高超声速飞行器是一个国家在特殊环境下掌握主动和控制权的最有效手段之一，是保证未来国家安全、领土完整和保障社会和平、人民生命安全所必须的力量。因此，如何提升陶瓷透波材料的耐温、高温透波及承载等特性已成为材料研究学者所追求的目标。
参考来源：
1、朱海天.空天赢家:高温透波陶瓷
2、蔡德龙等.高温透波陶瓷材料研究进展
3、崔雪峰等.氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展
4、梁关东.BNNSs增强陶瓷基透波材料的制备及介电性能研究
5、孙富磊.SiBONf/Si3N4透波材料的制备及性能研究
6、杜姣龙.Si2N2O基透波陶瓷材料的制备及性能研究
7、雷景轩.石英纤维增强石英陶瓷复合材料制备研究进展
（中国粉体网编辑整理/长安）
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