崔雪峰,李建平,李明星,周 杰,李 鑫,成來飛,劉永勝,葉 昉

（西北工業(yè)大學(xué) 超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

高溫透波材料，又稱熱透波材料，通常指使用溫度1000 K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(yùn)載火箭、飛船、導(dǎo)彈及返回式衛(wèi)星等飛行器）的天線罩（窗）等[1-3]。天線罩位于飛行器的機(jī)艙鼻部，作用是保護(hù)內(nèi)部雷達(dá)天線的正常有效工作，既是飛行器的結(jié)構(gòu)件，也是制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分。天線罩應(yīng)具有合適的氣動(dòng)外形，多為錐形或半球形[4]，而天線窗一般為平板狀，位于飛行器的側(cè)面。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(jī)械應(yīng)力和因氣動(dòng)熱產(chǎn)生的高溫，又要作為傳輸電磁波的通道，保證信號(hào)的正常傳輸；同時(shí)面臨大氣中雨滴的侵蝕和粒子的碰撞。天線罩在這樣惡劣的環(huán)境下保護(hù)飛行器通訊、遙測、制導(dǎo)、引爆等系統(tǒng)正常工作，是一種集防熱、透波、承載、耐候等高性能要求為一體的結(jié)構(gòu)/功能部件[5]。

隨著飛行器技術(shù)的發(fā)展，天線罩正在向耐高溫、寬頻透波以及隱身等方向發(fā)展，對(duì)天線罩材料的性能要求逐步提高。由于氣動(dòng)加熱效應(yīng)，溫度隨速率的平方成比例變化，隨著飛行器速率的增大，處于飛行器氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱最大最高位置的天線罩需承受的溫度和熱沖擊越來越高（見圖1）。新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的再入速率可高達(dá)幾十個(gè)馬赫[8-9]，高溫透波材料的研制水平成為影響導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

圖1 不同速率的飛行器的天線罩工作溫度[2，6-7]Fig.1 Service temperature of radomes in aircrafts withdifferent velocity[2，6-7]

1 高溫透波材料的性能要求

高溫透波材料應(yīng)具備以下性能：

（1）優(yōu)良的力學(xué)性能。材料應(yīng)具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和韌性，可承受飛行器高速飛行時(shí)的各種應(yīng)力。同時(shí)，材料在高溫下仍能維持好的力學(xué)性能。

（2）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(dá)到“最大傳輸”和“最小反射”的目的。在0.3～300 GHz頻率范圍內(nèi)，天線罩材料的ε和tanδ應(yīng)該分別小于4和0.01[4]。同時(shí)，材料在高溫下仍具有優(yōu)異的透波性能。

（3）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(dá)2000 ℃[6]，材料需具備難熔、抗燒蝕等性能。

（4）良好的抗熱震性能。天線罩在使用過程中，瞬時(shí)升溫速率可達(dá)100 ℃/s以上[10]，材料須能承受劇烈熱沖擊。材料的抗熱震性能與其熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)有很大關(guān)系，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。

（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等。

2 氮化物陶瓷基透波材料

圖2是不同透波材料的使用溫度[2，6-7]。隨著導(dǎo)彈等飛行器速率的提升，天線罩材料從聚合物材料發(fā)展至陶瓷材料。聚合物基復(fù)合材料最高使用溫度為400 ℃，易老化[11]。陶瓷特有的共價(jià)鍵和離子鍵結(jié)構(gòu)使其熔點(diǎn)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。透波陶瓷材料主要包括氧化物、磷酸鹽和氮化物等。與氧化物和磷酸鹽相比，氮化物具有強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低和耐熱性好等優(yōu)勢。近二十年來，天線罩用氮化物材料一直是研究的熱點(diǎn)，氮化物陶瓷及其復(fù)合材料是未來透波材料的重要發(fā)展方向。

2.1 氮化物陶瓷

具有透波性能的氮化物陶瓷主要有AlN、BN和Si3N4等單相陶瓷[11-13]，Si-B-N、Si-O-N等三元氮化物非晶陶瓷，以及Si-Al-O-N、Si-B-O-N等四元陶瓷。圖3是幾種氮化物陶瓷的介電常數(shù)和彎曲強(qiáng)度[4，11-14]，圖中虛線區(qū)域?yàn)榻殡姵?shù) ＜4，彎曲強(qiáng)度高于50 MPa的區(qū)域。

圖2 不同透波材料的使用溫度[2,6-7]Fig.2 Service temperature of different wave-transparentmaterials[2，6-7]

圖3 氮化物陶瓷的介電常數(shù)與彎曲強(qiáng)度[4，11-14]Fig.3 Dielectric constant and flexural strength of nitrideceramics[4，11-14]

2.1.1 AlN陶瓷

AlN陶瓷為六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性和電絕緣性等特征，基本性質(zhì)如表1所示。AlN陶瓷的熱膨脹系數(shù)與硅相近，在電子工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。AlN陶瓷介電常數(shù)和強(qiáng)度與Al2O3陶瓷相近，熱導(dǎo)率更高，熱膨脹系數(shù)更低，但也存在燒結(jié)困難、易水解、易氧化和介電常數(shù)需進(jìn)一步降低的問題[15-18]。

表1 AlN陶瓷的性質(zhì)[15]Table 1 Fundamental properties of AlN ceramic[15]

2.1.2 BN陶瓷

BN陶瓷的性能高度依賴于其化學(xué)純度與微結(jié)構(gòu)。BN存在多種形態(tài)：h-BN、c-BN、r-BN和w-BN。其中，h-BN俗稱“白石墨”，具有由（BN）3六元環(huán)網(wǎng)絡(luò)組成的層狀晶體結(jié)構(gòu)，層內(nèi)（a軸）原子間是強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，層間（c軸）是范德華鍵。h-BN熱穩(wěn)定性優(yōu)異（3000 ℃以上溫度分解[19]）、抗熱震性良好、電阻率高（107～109Ω·cm[20]）、介電常數(shù)和介電損耗低（4.5和3×10-4[21]）、熱膨脹系數(shù)?。?.2×10-6K-1[21]）。但是，BN陶瓷強(qiáng)度整體偏低（96 MPa[22]），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。

2.1.3 Si3N4陶瓷

Si3N4有兩種六方晶體結(jié)構(gòu)，α-Si3N4和β-Si3N4，α 相的c軸長度是β 相的兩倍。α 相是低溫穩(wěn)定相，升溫到大約1400 ℃會(huì)不可逆地轉(zhuǎn)化為β 相。Si3N4陶瓷綜合性能優(yōu)異，具有高比強(qiáng)、耐高溫、抗熱震、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕和沖蝕等特性，但其介電常數(shù)偏高，現(xiàn)有制備工藝下的Si3N4陶瓷機(jī)械加工較為困難[23]。致密Si3N4陶瓷的介電常數(shù)為7～9[24]，通過引入孔隙，調(diào)節(jié)孔隙的數(shù)量、尺寸和分布可以調(diào)控Si3N4陶瓷的介電性能和力學(xué)性能。孔徑尺度在微米及以上時(shí)，孔隙率的增加會(huì)提高透波性能。致密Si3N4陶瓷的介電常數(shù)與密度的關(guān)系見圖4，Si3N4陶瓷的介電常數(shù)隨著密度的增大而升高。

圖4 致密Si3N4材料的介電常數(shù)隨密度的變化[25]Fig.4 Dielectric constant vs density of dense Si3N4[25]

Barta等[25]采用燒結(jié)法制備了高密度Si3N4陶瓷，90%Si3N4-5%MgO-5%Al2O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的混合物所制陶瓷的密度和彎曲強(qiáng)度分別為3.16 g·cm-3和500 MPa，介電常數(shù)和介電損耗分別為8.5和0.003。

Zou等[11]用凝膠注模和燒結(jié)工藝制備的多孔Si3N4陶瓷的綜合性能較為優(yōu)異，孔隙率為36.4%，彎曲強(qiáng)度、斷裂韌度、介電常數(shù)和介電損耗分別為235.1 MPa、2.8 MPa·m1/2、3.68和3.56×10-3。

2.1.4 Si-B-N陶瓷

Si-B-N陶瓷綜合了Si3N4和BN陶瓷的優(yōu)勢，是近年發(fā)展起來的新型透波材料，其力學(xué)和介電性能可以通過調(diào)節(jié)元素含量和相組成進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，關(guān)于Si-B-N陶瓷的報(bào)道主要有聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷（polymer derived ceramics，PDC）工藝制備的Si-B-N陶瓷粉體、纖維以及基體[26-35]和化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）工藝制備的Si-BN薄膜[36]。采用PDC工藝制備的Si-B-N陶瓷，1700 ℃仍然保持非晶態(tài)[27]。采用CVD工藝制備的Si-B-N薄膜因晶體生長受阻，晶化程度也較低[36]。有關(guān)Si-B-N塊體陶瓷力學(xué)性能與介電性能的研究鮮見報(bào)道。

2.1.5 Si-O-N陶瓷

類似于Si3N4陶瓷，Si-O-N陶瓷具有好的力學(xué)性能、耐溫性、抗熱震性、抗氧化性和耐腐蝕性，熱膨脹系數(shù)低，是重要的結(jié)構(gòu)與功能陶瓷[37-39]。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[40]。閆玉華等[38]采用碳熱還原氧化法制備了高純超細(xì)Si2N2O粉末，經(jīng)燒結(jié)制備出致密的Si2N2O陶瓷，其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌度分別為580 MPa和2.52 MPa·m1/2，介電性能鮮見報(bào)道。Lin等[41]采用燒結(jié)法制備了多孔Si2N2O陶瓷，其介電常數(shù) ＜4.59，介電損耗 ＜0.0049，彎曲強(qiáng)度為161.3～228.4 MPa。

Barta等[25]取Si3N4和SiO2粉通過反應(yīng)燒結(jié)制備Si2N2O泡沫，然后在Si2N2O泡沫表面用等離子沉積制備致密的Si3N4抗?jié)B硬層。圖5為Si2N2O泡沫彎曲強(qiáng)度/介電常數(shù)（σ/ε）與介電常數(shù)（ε）的關(guān)系圖。由圖5可見，當(dāng)介電常數(shù)在4左右時(shí)，材料的強(qiáng)度約為方石英的2倍。

圖5 Si2N2O泡沫彎曲強(qiáng)度/介電常數(shù)（σ/ε）與介電常數(shù)（ε）的關(guān)系[25]Fig.5 Flexural strength/ε（σ/ε）vs dielectric constant（ε）of Si2N2O foams[25]

此外，透波氮化物陶瓷還有Si-Al-O-N陶瓷[42]、Si-B-O-N陶瓷等。Si-Al-O-N陶瓷的力學(xué)性能良好，彎曲強(qiáng)度可達(dá)200 MPa，但介電常數(shù)較高。Wu等[43]采用原位反應(yīng)法制備了Si-B-O-N陶瓷，彎曲強(qiáng)度為126.1 MPa，斷裂韌度為1.97 MPa·m1/2，密度為2.22 g·cm-3，相對(duì)密度達(dá)99.6%，其介電性能鮮見報(bào)道。

2.2 氮化物復(fù)相陶瓷

針對(duì)單相氮化物陶瓷，可通過調(diào)節(jié)其孔隙結(jié)構(gòu)改變其介電性能，也可通過引入具有低介電常數(shù)的第二相材料進(jìn)一步改善其性能。低介電常數(shù)的陶瓷材料主要有BN和SiO2。將其引入氮化物中形成復(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。典型的氮化物復(fù)相陶瓷的力學(xué)及介電性能見圖6[20，43-51]。

圖6 氮化物復(fù)相陶瓷的介電常數(shù)與彎曲強(qiáng)度[20，43-50]Fig.6 Dielectric constant and flexural strength of nitride composite ceramics[20，43-50]

2.2.1 BN-SiO2

SiO2陶瓷的強(qiáng)度低，抗雨蝕和燒蝕性能較差，使用溫度低于1000 ℃。BN陶瓷的熱穩(wěn)定性非常優(yōu)異，升華溫度高達(dá)3000 ℃，但難燒結(jié)，高的熱導(dǎo)率導(dǎo)致燒蝕表面溫度過高，高溫介電性能下降。BN與SiO2復(fù)合，有望一定程度彌補(bǔ)各材料性能的不足：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。研究發(fā)現(xiàn)，兩相的含量、成型工藝和燒結(jié)工藝都會(huì)對(duì)復(fù)相陶瓷的性能有明顯影響。高溫?zé)g研究中，復(fù)相陶瓷在高溫下會(huì)形成非晶態(tài)的Si-B-O-N[51]，其很可能也具有好的透波性能。

BN-SiO2復(fù)相陶瓷的基本性能見表2。Wang等[52]采用聚合物浸漬裂解（PIP）工藝制備了BNSiO2復(fù)相陶瓷，非晶相的SiO2細(xì)顆粒均勻分散在晶態(tài)的BN陶瓷基體中，1300 ℃熱處理后兩者化學(xué)相容性良好，陶瓷彎曲強(qiáng)度為61.96～93.31 MPa，介電常數(shù)為3.5～3.78，介電損耗在10-3數(shù)量級(jí)。

2.2.2 BN-Si3N4

Si3N4陶瓷的力學(xué)性能和抗氧化性能好，高溫性能優(yōu)異，即使當(dāng)工作溫度達(dá)到1500 ℃以上，仍能保持較高的強(qiáng)度。但與BN陶瓷相比，其介電常數(shù)偏高，熱穩(wěn)定性較差。BN陶瓷燒結(jié)困難，需要采用熱壓或熱等靜壓工藝在高達(dá)1800 ℃的溫度下制備。BN陶瓷與Si3N4陶瓷復(fù)合，有望一定程度彌補(bǔ)各材料性能的不足：BN的引入可以降低Si3N4陶瓷的介電常數(shù)，提高其摩擦性能[44]；Si3N4的引入可以提高BN陶瓷的力學(xué)性能和抗雨蝕性能，BNSi3N4復(fù)相陶瓷能保持較高的強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，兩相的含量、成型工藝和燒結(jié)工藝均會(huì)對(duì)復(fù)相陶瓷的性能產(chǎn)生影響。當(dāng)h-BN含量大于4%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，隨著h-BN含量的增加，BN-Si3N4復(fù)相陶瓷的彎曲強(qiáng)度、彈性模量和硬度均有所降低，介電常數(shù)和介電損耗不斷減小[44]。升高制備溫度有利于β-Si3N4的生成，BN-Si3N4復(fù)相陶瓷的氣孔率隨之降低，相對(duì)密度提高，彎曲強(qiáng)度、斷裂韌度、介電常數(shù)和介電損耗逐漸增大。

BN-Si3N4復(fù)相陶瓷的基本性能見表3。趙玉軍等[54]在燒結(jié)溫度為1600 ℃時(shí)制備的BN-Si3N4復(fù)相陶瓷的相對(duì)密度為74.2%，彎曲強(qiáng)度、斷裂韌度、介電常數(shù)和介電損耗分別為281.3 MPa、2.74 MPa·m1/2、5.01和0.0102。

2.2.3 SiO2-Si3N4

Si3N4陶瓷與SiO2陶瓷復(fù)合，有望一定程度克服各材料的弱勢：利用Si3N4可以提高SiO2陶瓷的強(qiáng)度；利用SiO2可以降低Si3N4陶瓷的介電常數(shù)，提高其透波性能。通過調(diào)節(jié)復(fù)相陶瓷的孔隙結(jié)構(gòu)，可以調(diào)控其力學(xué)性能和介電性能。

表2 BN-SiO2復(fù)相陶瓷的性能Table 2 Fundamental properties of BN-SiO2composite ceramics

表3 BN-Si3N4復(fù)相陶瓷的性能Table 3 Fundamental properties of BN-Si3N4composite ceramics

SiO2-Si3N4復(fù)相陶瓷的基本性能見表4。Cai等[58]采用氧化和溶膠凝膠浸漬-燒結(jié)工藝制備了多孔SiO2-Si3N4復(fù)相陶瓷，溶膠凝膠浸漬-燒結(jié)工藝提高了材料密度，且材料孔徑一致分布均勻。孔隙率為23.9%的多孔SiO2-Si3N4復(fù)相陶瓷的密度、彎曲強(qiáng)度、維氏硬度、斷裂韌度分別為2.05 g·cm-3、120 MPa、4.1 GPa、1.4 MPa·m1/2，介電常數(shù)和介電損耗分別為3.8和3.11×10-3。

表4 SiO2-Si3N4復(fù)相陶瓷的性能Table 4 Fundamental properties of SiO2-Si3N4composite ceramics

2.2.4 Si3N4-BN-SiO2

Si3N4陶瓷的高溫力學(xué)性能優(yōu)良，BN陶瓷的耐高溫性能優(yōu)良，BN和SiO2陶瓷的介電性能優(yōu)良，復(fù)合三者而成的Si3N4-BN-SiO2復(fù)相陶瓷有望兼具良好的透波性能和力學(xué)性能。

Si3N4-BN-SiO2復(fù)相陶瓷的基本性能見表5。Paquette[59]將Si3N4、BN、SiO2粉體與氧化物燒結(jié)助劑混合，在1650～1850 ℃、14～103 MPa下熱等靜壓成型，制得Si3N4-BN-SiO2復(fù)相陶瓷整體式天線窗，其密度為2.4～2.9 g·cm-3，介電常數(shù)為4.5～7.0，介電損耗 ＜0.01，拉伸強(qiáng)度達(dá)138～290 MPa，熱膨脹系數(shù)為2.5～4.0×10-6K-1，2350 ℃下的高溫電性能衰減小于3 dB，且抗雨蝕、耐燒蝕性能優(yōu)異，可在2000 ℃以上使用。

表5 Si3N4-BN-SiO2復(fù)相陶瓷的性能Table 5 Fundamental properties of Si3N4-BN-SiO2composite ceramics

此外，透波型氮化物復(fù)相陶瓷還有Si2N2OSi3N4、Si2N2O-BN、AlN-BN、AlN-Si3N4-SiO2等。

Morris等[61]將AlN顆粒、亞微米級(jí)BN顆粒和氧化劑（如Al2O3、B2O3或SiO2）混合，預(yù)成型坯體后在惰性氣氛中熱壓燒結(jié)制得AlN-BN復(fù)相陶瓷。體積分?jǐn)?shù)為35%BN的AlN-BN復(fù)相陶瓷在室溫～1000 ℃范圍內(nèi)，介電常數(shù)保持在7.07～7.80，介電損耗為0.0115～0.0170，室溫彎曲強(qiáng)度為227.53 MPa。

吳潔華[62-63]采用熱壓燒結(jié)工藝制備了20AlN-10Si3N4-70SiO2復(fù)相陶瓷，其彎曲強(qiáng)度為175 MPa，斷裂韌度為1.65 MPa·m1/2，介電常數(shù)為5.6，介電損耗為3.4×10-3。

Lin等[48]采用壓力燒結(jié)工藝制備了BN-Si2N2O復(fù)相陶瓷，Li2O作添加劑，所制復(fù)相陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗分別低于4.5和0.0056，含體積分?jǐn)?shù)為15%BN的BN-Si2N2O復(fù)相陶瓷的彎曲強(qiáng)度為176 MPa，斷裂韌度為2.6 MPa·m1/2，表現(xiàn)出良好的介電性能、力學(xué)性能和抗熱震性能。

2.3 氮化物陶瓷基復(fù)合材料

單相氮化物陶瓷材料的韌性較低，復(fù)相陶瓷的增韌程度有限，人們通過在氮化物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)異的氮化物陶瓷基復(fù)合材料。其中，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在材料斷裂過程中會(huì)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。圖7是典型的氮化物陶瓷基復(fù)合材料的介電常數(shù)與彎曲強(qiáng)度[14，21-22，31，44，48，61-74]。

2.3.1 氮化物陶瓷纖維

圖7 氮化物陶瓷基復(fù)合材料的介電常數(shù)與彎曲強(qiáng)度[14，21-22，31，44，48，61-74]Fig.7 Dielectricconstantandflexural strengthof nitride ceramic matrixcomposites[14，21-22，31，44，48，61-74]

作為增強(qiáng)相，透波復(fù)合材料用纖維須具有低的介電常數(shù)和介電損耗、優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫性能和抗氧化、抗燒蝕性能等。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，其基本性能見表6。石英纖維是玻璃態(tài)材料，在高于800 ℃因析晶而強(qiáng)度下降[50]，1200 ℃以上會(huì)明顯析晶[1]，力學(xué)性能大幅下降。Al2O3纖維是多晶陶瓷纖維，具有高強(qiáng)度、耐高溫、抗氧化和抗蠕變等優(yōu)點(diǎn)，1400 ℃的拉伸強(qiáng)度為1.5 GPa（Nextel 610），最高使用溫度可達(dá)1600 ℃[1]，介電常數(shù)、熱膨脹系數(shù)較高。氮化物陶瓷纖維具有優(yōu)異的綜合性能，與氮化物陶瓷基體的（熱）物理性能和化學(xué)性能匹配性更佳。

2.3.2 BN陶瓷基復(fù)合材料

BN陶瓷基復(fù)合材料具有較好的透波性能，纖維增強(qiáng)BN陶瓷基復(fù)合材料可克服BN陶瓷的強(qiáng)度偏低和韌性較差的缺點(diǎn)。目前，研究報(bào)道的BN陶瓷基復(fù)合材料的性能見表7。增強(qiáng)體纖維有BN纖維、SiO2纖維、Si3N4纖維和SiNO纖維。

纖維增強(qiáng)BN陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝有燒結(jié)工藝[75]和PIP工藝[76-84]。纖維性能對(duì)BN陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能有至關(guān)重要的影響。采用BN纖維作為BN陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，由于纖維/基體的模量和熱膨脹匹配性好，因此復(fù)合材料殘余熱應(yīng)力小，裂紋和缺陷少。由表7可知，目前BNf/BN復(fù)合材料的最高彎曲強(qiáng)度為57.9 MPa。材料強(qiáng)度不高的原因主要為目前生產(chǎn)的BN纖維強(qiáng)度和模量較低，使復(fù)合材料力學(xué)性能受限。同樣，采用SiO2纖維制備的SiO2f/BN復(fù)合材料的力學(xué)性能也亟待提高。國防科大[79-84]研制的SiNOf/BN和Si3N4f/BN復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，這可能與纖維的力學(xué)性能以及復(fù)合材料的制備工藝有關(guān)。上述復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度均高于100 MPa，同時(shí)，介電常數(shù)和介電損耗分別低于4和0.01。

2.3.3 Si3N4陶瓷基復(fù)合材料

在Si3N4陶瓷基復(fù)合材料方面，研究人員通過向Si3N4陶瓷中引入顆粒、晶須和纖維等增強(qiáng)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)Si3N4陶瓷的增強(qiáng)補(bǔ)韌，同時(shí)也能對(duì)Si3N4陶瓷的介電性能進(jìn)行調(diào)控。目前，報(bào)道的Si3N4陶瓷基復(fù)合材料的性能如表8所示。

表6 幾種透波陶瓷纖維的性能[1，21-22，39，51，64-69]Table 6 Fundamental properties of wave-transparent ceramic fibers[1，21-22，39，51，64-69]

表7 BN陶瓷基復(fù)合材料的性能Table 7 Fundamental properties of BN ceramic matrix composites

表8 Si3N4陶瓷基復(fù)合材料的性能Table 8 Fundamental properties of Si3N4ceramic matrix composites

由表8可知，Si3N4陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體有BN顆粒、BN晶須、BN纖維和SiO2纖維等，制備工藝有PIP工藝[51，65，88-89]、燒結(jié)法[21，70，85-87，90]和化學(xué)氣相滲透（chemical vapor infiltration，CVI）工藝[70-71，91-93]。其中，燒結(jié)法制備的復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能，但韌性不足。趙林等[85]采用熱壓燒結(jié)工藝制備了BNw/Si3N4復(fù)合材料，含10 vol.%BN復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌度、介電常數(shù)和介電損耗分別為238 MPa、3.35 MPa·m1/2、3.7和4.7×10-3。這是目前報(bào)道中綜合性能較為優(yōu)異的高溫透波材料。

2.3.4 SiBN陶瓷基復(fù)合材料

在Si-B-N陶瓷中引入纖維增強(qiáng)體制得的SiBN陶瓷基復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和介電性能。SiBN陶瓷基復(fù)合材料的基本性能如表9所示。

李光亞等[22，73]采用PIP工藝制備了Al2O3f、Mullitef、SiO2f、Si3N4f增強(qiáng)SiBN陶瓷基復(fù)合材料，以PIP工藝制備的BN為界面相。其中，Mullitef/SiBN復(fù)合材料的綜合性能最佳。針對(duì)纖維的強(qiáng)韌化效果，在受載后的Al2O3f/SiBN和Mullitef/SiBN復(fù)合材料中存在纖維拔出等強(qiáng)韌化機(jī)制；在Si3N4f/SiBN和SiO2f/SiBN復(fù)合材料中未發(fā)現(xiàn)纖維拔出等現(xiàn)象。

此外，還有采用兩種或兩種以上陶瓷材料（如Si3N4-BN、BN-SiO2等）作為基體的透波復(fù)合材料。

Place[74]采用浸漬-熱壓燒結(jié)工藝制備了三維（3D）BNf/BN-SiO2復(fù)合材料，其密度為1.6 g·cm-3，介電常數(shù)為3.20～3.24，介電損耗為0.0009～0.001，可在2200 ℃以上使用。范亞明[97]采用溶膠凝膠、料漿浸漬和熱壓燒結(jié)工藝制備了二維（2D）SiO2f/SiO2-BN復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度為 56.7 MPa（Z）和49.4 MPa（X-Y），介電性能鮮見報(bào)道。

表9 SiBN陶瓷基復(fù)合材料的性能Table 9 Fundamental properties of SiBN ceramic matrix composites

3 總結(jié)與展望

隨著超聲速飛行器服役能力的不斷提升，高溫透波材料的工作環(huán)境日益惡劣，高溫透波材料的強(qiáng)度、韌性、耐熱性、抗沖擊性和透波性能都需要進(jìn)一步提高。目前，氮化物透波材料主要存在以下問題：（1）大部分強(qiáng)度高的氮化物透波材料的介電常數(shù)均大于4，其寬頻透波性能有待進(jìn)一步提高，高溫透波性能需要深入研究；（2）傳統(tǒng)燒結(jié)工藝制備的多孔氮化硅陶瓷雖強(qiáng)度較高，但燒結(jié)過程中易產(chǎn)生收縮變形，難以制備成復(fù)雜形狀構(gòu)件；（3）氮化物復(fù)相陶瓷多以多孔氮化硅陶瓷為骨架，其孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)第二相陶瓷材料的引入影響較大，使得這類材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間較小，性能調(diào)節(jié)范圍有限；（4）作為氮化物陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)相，氮化物陶瓷纖維尚處研制階段，并未商品化，其性能有待進(jìn)一步提高。

氮化物陶瓷材料的復(fù)合是高溫透波材料的重要發(fā)展方向之一。近期，研究人員采用3D打印快速成型技術(shù)（3D printing technology，3DP）制備出高孔隙率的陶瓷骨架[98]，結(jié)合CVI或PIP工藝，制得結(jié)構(gòu)和性能可調(diào)可控的陶瓷材料，這是制備氮化物復(fù)相陶瓷的可行途徑。與氮化物單相和復(fù)相陶瓷相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)氮化物陶瓷基復(fù)合材料具有更多優(yōu)勢，PIP工藝是制備氮化物陶瓷基體的有效方法，CVI工藝更值得開展研究，其可制備強(qiáng)度、模量、純度更高的氮化物陶瓷基體，而且制備過程中復(fù)合材料不發(fā)生體積收縮而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這使復(fù)合材料介電和力學(xué)性能能得到有效提升。