紅外窗口是紅外成像系統的重要部件，具有傳輸目標信號、保持氣動外形、保護內部元器件的作用，在現代戰爭中，具有高精度、強隱蔽、不易受干擾的優點的紅外成像與精確制導技術是必不可少的關鍵，已經廣泛運用于各種超音速戰機、空空導彈和防御攔截系統。窗口材料通常需要具有工作波段高透的光學性能以及高強度、高硬度的機械性能，紅外玻璃、紅外陶瓷、紅外單晶都是常用選擇，然而相比于玻璃和單晶材料，陶瓷往往具有更高的熱導率和強度，同時通過粉體燒結成型的陶瓷制備周期短、生產成本低，且更容易根據所需形狀制備出大尺寸器件。

高超音速飛行器對紅外窗口材料的需求

高超音速飛行器指的是能夠達到5倍音速以上飛行速度的飛行器，憑借其遠距離快速打擊和有效突破現有防御體系的優勢，正在成為各國博弈的焦點。高超武器的發展對紅外光電系統和窗口材料也提出了更高的要求。

高馬赫飛行所伴隨的強烈氣動加熱會嚴重影響材料的原有性能和系統成像效果，這主要包括：

1) 高溫引起材料的紅外截止邊藍移，使得長波段透射性能下降；

2) 高溫下材料自身的紅外吸收與紅外輻射都會增強，導致目標信號下降的同時產生強烈的背底噪聲，使得信噪比下降難以分辨甚至完全淹沒目標信號；

3) 高溫可能會導致材料機械性能下降；

4) 氣動熱效應所帶來的快速升溫會產生劇烈的熱沖擊應力，引起應力畸變甚至直接導致窗口損壞破裂。

目前會考慮采取側窗技術和拋罩技術來緩解紅外光窗的氣動熱問題，但這將會極大地限制導彈飛行末端的制導能力和打擊效果。這些問題都是窗口用紅外透明陶瓷未來發展所需攻克的重點方向。

高超音速飛行器

透明陶瓷的制備方法

傳統陶瓷材料其本身結構（晶粒的各向異性、晶界的存在）和存在的缺陷（氣孔、雜質）所引起的散射和吸收使得其難以透光。為了獲得透明陶瓷，通常需要選擇高純度的各向同性的無吸收材料，減少氣孔提高致密度，同時防止產生第二相析出物，進一步還需要考慮減少晶界和表面拋光。

透明陶瓷的制備流程中最關鍵的步驟為粉體制備和燒結，常用的粉體制備方法包括液相沉淀法、溶膠–凝膠法、燃燒法、熱分解法等，以獲得適當晶粒分布的近球形粉體為最佳，同時需要避免粉體團聚導致燒結活性降低；燒結方法包括常規燒結、真空燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結(HIP)、放電等離子體燒結(SPS)、兩步燒結等，以排除氣孔獲得高致密度為目標。對于各向異性材料以及復相陶瓷材料，還需要減小晶粒尺寸以減少散射損耗。

制作透明陶瓷的重要因素

窗口用紅外透明陶瓷類型

1.氧化鋁

氧化鋁材料的一個分支，藍寶石，即α-氧化鋁單晶（不屬于陶瓷），由于具有從紫外到中紅外寬譜高透的光學性能和極高的強度、硬度，同時還具有高熱導率和高抗熱沖擊品質因子，足以勝任絕大多數工作環境，是目前最理想的紅外窗口材料之一。藍寶石的制備技術不同于多晶陶瓷的燒結，而是立足于晶體生長技術，其大尺寸生長對設備要求極高，制備周期較長，其高硬度使得生長完成后的復雜加工成本較高，材料利用率較低，能生長出高質量晶體的近尺寸成型技術是將來研究的重點方向。

不過藍寶石單晶屬于六方晶系，結構中各向異性的存在使得加工時需要以c軸垂直于紅外窗口，以避免雙折射對成像系統的干擾，然而這也注定了其無法應用于大曲率、大視角光學成像系統。此外，沿c軸方向生長的藍寶石晶格變形程度較大，制備高質量晶體難度較高。同時，藍寶石具有較高的聲子能量，導致其透射光譜在高溫下會發生嚴重的截止邊藍移，影響透射性能，同時其自發輻射會急劇增高使得紅外探測能力急速下降，此外，高溫下沿藍寶石c軸方向的壓應力會引起晶面孿生并交叉形成裂紋導致機械性能下降，這些缺陷使其難以應用于高超音速飛行器。

藍寶石窗口材料

氧化鋁多晶陶瓷宏觀上不存在雙折射現象，微觀上雙折射和大量晶界的存在會使得其光學性能有所下降，但是仍然具有優異的機械性能。通過調節晶粒光軸取向

來避免微觀雙折射損耗可以提升其透過性能，不過過高的自發輻射使得氧化鋁陶瓷同樣無法應用于高超音速飛行器，目前氧化鋁在窗口上的應用仍然以藍寶石為主。

2.鎂鋁尖晶石

鎂鋁尖晶石在可見光到中紅外都具有優異的透過性能，且優于藍寶石和氮氧化鋁。鎂鋁尖晶石具有光學上各向同性的立方晶體結構，這使得所制備陶瓷無需擔心晶粒間折射率差異引起的強散射造透過性能下降，氣孔成為了最主要的散射源，因此消除孔隙提高致密度是獲取高質量尖晶石的重要手段。

鎂鋁尖晶石晶體結構

不過，鎂鋁尖晶石陶瓷熱導率仍然相對較低，抗彎強度和抗熱沖擊性能也欠佳，且伴隨著較強的自發輻射，同樣無法應用于高馬赫數飛行器。

3.氮氧化鋁(AlON)

氮氧化鋁材料同樣具有尖晶石立方結構，在光學上各向同性，在近紫外到中紅外波段都具有不錯的透過率，具有比擬藍寶石的機械性能。但是目前AlON的制備工藝難以解決其因為晶粒間組分不同和應力所導致的散射，這使得材料的實際透過性能難以達到理論值，制備高純超細的近球形單相粉體是需要關注的重點。

不過，AlON陶瓷材料存在中紅外透過光譜截止邊較短的缺點，高溫條件下紅外截止邊藍移將嚴重影響光電系統探測效果，其本身發射率同樣較高，無法應用于高超聲速飛行器。

擴展閱讀：

1.氧化鋁粉體如何被用于制造AlON粉體？

2.氮氧化鋁：一種可以防彈的透明陶瓷

4.氧化釔

Y₂O₃材料屬立方晶系，具有光學性能的各軸同向性，從紫外到中紅外波段都具有較為優異的透過性能，同時Y₂O₃聲子能量較低，這能夠很好地緩解高溫截止邊藍移對中紅外波段透過性能的影響，并且Y₂O₃自發輻射遠低于藍寶石、鎂鋁尖晶石和AlON，同時還具有較高的熱導率，這意味著Y₂O₃在高馬赫飛行器上的應用有一定的潛力。

不過盡管Y₂O₃具有優異的光學性能，但是抗彎強度低、抗熱震性能較差使得Y₂O₃同樣難以應用于高馬赫飛行器。

氧化釔透明陶瓷

5.氧化鋯

氧化鋯材料在低溫下為單斜相，750~1 200℃會向四方相轉變，2372℃以上轉變為立方相。其中單斜相和四方相的互相轉化伴隨著較大的體積收縮和膨脹，導致其燒結完成后的降溫過程體積增加使得陶瓷易裂，這使得無法使用純氧化鋯粉體燒結制備陶瓷。通過參入足夠的穩定劑可以使得氧化鋯在降溫中仍然保持立方相，常用的穩定劑包括CaO、MgO、Y₂O₃、Ce₂O₃等。當穩定劑添加較少時，立方相晶粒邊界的大晶粒轉會變為單斜相，小晶粒則保持為四方相，稱為部分穩定氧化鋯(PSZ)。通過調節穩定劑添加量，同時保持晶粒足夠小，即可獲得亞穩定四方相氧化鋯(TZP)。

單斜相氧化鋯光學性能和力學性能都較差，立方相則是力學性能欠佳，而部分穩定的四方相氧化鋯則具有優異的力學性能和較高的紅外透過率，可用于制備紅外窗口。另外，氧化鋯陶瓷的高溫發射率優于藍寶石和尖晶石，但是其熱導率較差。低熱導率可以避免窗口內側溫度過高從而影響光電元器件工作，但這使其將承受更大的熱沖擊考驗。

6.氟化鎂

氟化鎂晶體屬于四方晶系，擁有較低的折射率，紫外到中紅外波段均高透，廣泛應用于各種光學系統中，并且聲子能量較低，高溫引起的紅外截止邊藍移和自發輻射并不會對成像性能造成嚴重影響。考慮晶體宏觀雙折射的存在和大孔徑、大弧度、大視場角的光電系統需求，窗口材料一般不選擇單晶而是采用熱壓氟化鎂多晶陶瓷。熱壓氟化鎂采用高純納米氟化鎂粉體經過熱壓制備而成，在避免晶粒長大的同時排出氣體、燒結致密。因為晶粒尺寸較小，各向異性雙折射在中紅外波段造成的散射損耗可以忽略，仍然具有優異的透過性能。

氟化鎂光學窗口

不過熱壓氟化鎂的一個缺點在與2.8μm和5.0μm處容易產生吸收峰影響透過性能，這主要歸咎于MgF₂納米粉體與水的反應。熱壓氟化鎂的主要問題在于抗彎強度較差，熱膨脹系數偏高，抗熱沖擊性能也不佳，飛行中還容易受到雨水和砂礫的磨損，同樣無法應用于高馬赫飛行器。

7.復相陶瓷

目前，單相陶瓷的性能不足以直接滿足高馬赫飛行的高溫低輻射、高強度、寬帶高透等性能需求，使得人們逐漸將目光投向了復相陶瓷領域，希望能夠利用引入第二相來補充單相陶瓷的性能短板。最先聚焦的是低輻射率、寬帶高透的氧化釔，引入同樣長波截止且強度較高的氧化鎂，希望在保留優異光學性能的同時，提高其機械性能。

總結

目前常用的紅外窗口材料包括藍寶石，鎂鋁尖晶石、AlON、MgF₂、Y₂O₃、Y₂O₃-MgO復相陶瓷等。強度和抗熱震性能的限制使得MgF₂、Y₂O₃僅可適用于低馬赫數飛行器，而Al-O鍵的存在使得藍寶石、AlON等在高溫下自發輻射嚴重，同樣無法應用于高馬赫飛行器。Y₂O₃-MgO復相陶瓷利用釘扎效應獲得極小的晶粒尺寸，從而兼具較為優異的透過性能和機械性能，同時具有極低的高溫輻射系數，是適用于高超聲速飛行器極具潛力的候選材料。

目前，釔鎂復相陶瓷材料的研究主要集中于粉體制備工藝與燒結工藝，對材料的摻雜改性方面的研究相對較少，如何在獲得高致密度的同時防止晶粒長大是一個重要的研究方向。另外，氧化鎂的引入使得釔鎂復相陶瓷具有一定的吸濕性，表面鍍膜或改性處理以提升窗口材料的抗侵蝕性能也是需要解決的問題。

參考來源：

1.李愷，范金太，姜本學，錢凱臣，田燕娜，尹曉蒙．窗口用紅外透明陶瓷概

述[J/OL]．硅酸鹽學報.

2.潘枝峰, 毛小建, 張紅剛, 等. 高超音速中波紅外窗口材料思考[J]. 激光與光電子學進展, 2014, 51(9): 153–159.

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