高溫透波材料是指對波長在1～1000mm、頻率在0.3～300GHz的電磁波在足夠高的溫度下的透過率>70%的材料。結(jié)構(gòu)透波材料體系主要有耐高溫及常溫應(yīng)用的透波材料，這兩種材料體系的典型代表分別為陶瓷透波材料及聚合物基復(fù)合材料。陶瓷透波材料與聚合物基復(fù)合材料分別應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛行器天線罩、天線窗以及雷天線罩等。下文將重點(diǎn)介紹氮化硼高溫透波材料。   

一、氮化硼陶瓷概述

氮化硼（BN）是一種重要的非氧化物陶瓷材料，常見的有類似石墨的六方晶型（h-BN）、類似金剛石的立方晶型（c-BN）和類似無定形碳的無定形態(tài)。

六方晶型h-BN 在6000～9000MPa 壓力、1500～2000 ℃高溫和催化劑（堿金屬或堿土金屬）的作用下，會轉(zhuǎn)變成為c-BN。而用作高溫透波材料的主要是h-BN，俗稱“白石墨”，其晶體為層狀結(jié)構(gòu)，每一層由硼、氮原子相間排列成六角環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。層內(nèi)原子之間呈很強(qiáng)的共價結(jié)合，B-N原子間距為0.1446 nm，原子間彈性模量 E為910 GPa，所以結(jié)構(gòu)致密，不易破壞，要到3000 ℃以上才分解。

正因?yàn)槿绱耍鄬τ?a title="氧化鋁" href="http://www.shpa18.com/powder/dlist.html/?id=119" target="_blank" style="color:blue">氧化鋁、融石英、氮化鋁、氮化硅等陶瓷材料，BN陶瓷有著獨(dú)特的性能：熱穩(wěn)定性和介電性能優(yōu)異， 是為數(shù)不多的分解溫度能達(dá)到3000 ℃的化合物之一，并且在很寬的溫度范圍內(nèi)具有極好的熱性能和電性能的穩(wěn)定性。

然而，由于BN陶瓷強(qiáng)度、硬度、彈性模量偏低，熱導(dǎo)率高，抗雨蝕性不足，且難以制成較大形狀構(gòu)件，因此單相的BN陶瓷在天線罩上尚未得到真正應(yīng)用。目前研究的主要為BN透波纖維和BN透波復(fù)合材料兩大類。

二、氮化硼透波纖維

BN纖維兼?zhèn)淞?/span>BN材料和纖維材料各自所特有的多種優(yōu)良性能，與某些適用于高超音速導(dǎo)彈應(yīng)用環(huán)境的無機(jī)纖維( 如氮化硅纖維、石英纖維等) 相比，具有耐高溫、高溫力學(xué)性能優(yōu)異、介電性能優(yōu)良、可吸收中子等特性。BN纖維的抗氧化溫度比碳纖維和硼纖維還要高， 可以在 900 ℃ 以下的氧化氣氛和 2800 ℃ 以下的惰性氣氛中長期使用。

1、BN纖維的制備方法

BN纖維的制備方法主要有兩種，無機(jī)先驅(qū)體法和有機(jī)先驅(qū)體法。

（1）無機(jī)先驅(qū)體法

無機(jī)先驅(qū)體法利用硼酸為原料制備B₂O₃先驅(qū)體纖維，該纖維在NH₃、N₂氣氛下，高溫轉(zhuǎn)化為BN纖維。

（2）有機(jī)先驅(qū)體法

有機(jī)先驅(qū)體法先通過有機(jī)聚合物( 主要為硼-氮聚合物和硼-氧聚合物) 在氣氛保護(hù)下進(jìn)行紡絲， 再經(jīng)過高溫氮化處理獲得BN纖維。有機(jī)先驅(qū)體法制備的產(chǎn)品具有較好的加工性，可以制備高質(zhì)量的纖維，目前是主要發(fā)展趨勢。

2、氮化硼透波纖維研究進(jìn)展及應(yīng)用

目前，在可作為導(dǎo)彈天線窗、天線罩等防熱透波部件的陶瓷基復(fù)合材料中，具有耐熱性、介電性能良好的石英纖維和BN 纖維可作為增強(qiáng)纖維使用。與石英纖維，BN 纖維具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）2000 ℃ 以內(nèi)的惰性氣氛中晶粒不會長大，強(qiáng)度不會下降；

（2）介電性能優(yōu)異，復(fù)合材料集體材料的選擇選擇范圍更廣泛；

（3）高溫性能優(yōu)異，飛行器飛行摩擦發(fā)熱過程中，能夠保證部件的可靠性和安全性。

因此，BN纖維在航天透波領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

20世紀(jì)60年代， 美國的金剛砂公司最早開始了以B₂O₃纖維作為先驅(qū)體制備BN纖維的研究，之后，蘇聯(lián)、日本、中國等相繼開展BN纖維的研究。美國的Economy于1967年以硼酸為原料制備B₂O₃先驅(qū)體纖維，該纖維在NH₃（大于1000 ℃）及N₂（小于2000 ℃）氣氛中高溫轉(zhuǎn)化為BN纖維。

我國的山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院于1976年開始研究此工藝，并制備出了定長BN纖維和連續(xù)BN纖維產(chǎn)品，且性能指標(biāo)優(yōu)良。

目前，BN纖維研究較為出色的是法國的Miele公司，采用 BCl3與NH₄Cl 在低溫下制得含環(huán)狀三氯硼氮烷，再與二甲胺反應(yīng)，制備出2，4-（雙單甲基胺）-6-單甲基胺硼烷單體。然后在惰性氣體保護(hù)下聚合，熔融紡絲，經(jīng)氨氣和氮?dú)獾母邷靥幚恚玫綌?shù)種高性能的BN 纖維，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到1000MPa 以上， 彈性模量達(dá)250 GP 以上。

BN纖維所表現(xiàn)出的優(yōu)異特性，一直被軍事航天及其它相關(guān)領(lǐng)域所關(guān)注。近年來國內(nèi)外對該領(lǐng)域的研究十分活躍，各種合成路線相繼出現(xiàn)具有很好的應(yīng)用前景。

三、氮化硼透波復(fù)合材料

利用BN分解溫度高、介電性能優(yōu)異的特性，將其與石英纖維、氮化硅陶瓷等復(fù)合， 可制成綜合性能優(yōu)異的透波復(fù)合材料。

目前，氮化硼透波復(fù)合材料的制備方法主要有兩種：高溫?zé)Y(jié)法和先驅(qū)體法。

（1）高溫?zé)Y(jié)法， 包括反應(yīng)燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓法等，其原料主要是各種陶瓷粉體，所制備的大多為顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。

（2）先驅(qū)體法，采用有機(jī)或無機(jī)物為先驅(qū)體，所制備的大多為纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。高溫?zé)Y(jié)法使用較早，其工藝也最成熟，獲得了廣泛的應(yīng)用。

目前，國內(nèi)上海硅酸鹽研究所將BN纖維和硅粉混合，采用反應(yīng)燒結(jié)工藝制備了BN纖維增強(qiáng) Si₃N₄基復(fù)合材料。利用用熱壓燒結(jié)法制備BN顆粒增強(qiáng)熔石英高溫天線罩材料，既改善了BN材料的燒結(jié)性能和抗熱震性，又使燒蝕表面溫度從3300 ℃降低到2200～ 2400 ℃，增大了沿透射方向的溫度梯度， 改善了高溫介電性能，同時又提高了熔石英的強(qiáng)度、斷裂韌性和耐燒蝕性能。

作者：李波濤