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。結構透波材料體系主要有耐高溫及常溫應用的透波材料，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合材料。陶瓷透波材料與聚合物基復合材料分別應用于導彈、飛行器天線罩、天線窗以及雷天線罩等。下文將重點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。

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”，其晶體為層狀結構，每一層由硼、氮原子相間排列成六角環狀網絡。層內原子之間呈很強的共價結合，B-N原子間距為0.1446 nm，原子間彈性模量 E為910 GPa，所以結構致密，不易破壞，要到3000 ℃以上才分解。

正因為如此，相對于氧化鋁、融石英、氮化鋁、氮化硅等陶瓷材料，BN陶瓷有著獨特的性能：熱穩定性和介電性能優異， 是為數不多的分解溫度能達到3000 ℃的化合物之一，并且在很寬的溫度范圍內具有極好的熱性能和電性能的穩定性。

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

二、氮化硼透波纖維

BN纖維兼備了BN材料和纖維材料各自所特有的多種優良性能，與某些適用于高超音速導彈應用環境的無機纖維( 如氮化硅纖維、石英纖維等) 相比，具有耐高溫、高溫力學性能優異、介電性能優良、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，無機先驅體法和有機先驅體法。

（1）無機先驅體法

無機先驅體法利用硼酸為原料制備B₂O₃先驅體纖維，該纖維在NH₃、N₂氣氛下，高溫轉化為BN纖維。

（2）有機先驅體法

有機先驅體法先通過有機聚合物( 主要為硼-氮聚合物和硼-氧聚合物) 在氣氛保護下進行紡絲， 再經過高溫氮化處理獲得BN纖維。有機先驅體法制備的產品具有較好的加工性，可以制備高質量的纖維，目前是主要發展趨勢。

2、氮化硼透波纖維研究進展及應用

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

（1）2000 ℃ 以內的惰性氣氛中晶粒不會長大，強度不會下降；

（2）介電性能優異，復合材料集體材料的選擇選擇范圍更廣泛；

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

因此，BN纖維在航天透波領域具有很好的應用前景。

20世紀60年代， 美國的金剛砂公司最早開始了以B₂O₃纖維作為先驅體制備BN纖維的研究，之后，蘇聯、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先驅體纖維，該纖維在NH₃（大于1000 ℃）及N₂（小于2000 ℃）氣氛中高溫轉化為BN纖維。

我國的山東工業陶瓷研究設計院于1976年開始研究此工藝，并制備出了定長BN纖維和連續BN纖維產品，且性能指標優良。

目前，BN纖維研究較為出色的是法國的Miele公司，采用 BCl3與NH₄Cl 在低溫下制得含環狀三氯硼氮烷，再與二甲胺反應，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下聚合，熔融紡絲，經氨氣和氮氣的高溫處理，得到數種高性能的BN 纖維，其拉伸強度達到1000MPa 以上， 彈性模量達250 GP 以上。

BN纖維所表現出的優異特性，一直被軍事航天及其它相關領域所關注。近年來國內外對該領域的研究十分活躍，各種合成路線相繼出現具有很好的應用前景。

三、氮化硼透波復合材料

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

目前，氮化硼透波復合材料的制備方法主要有兩種：高溫燒結法和先驅體法。

（1）高溫燒結法， 包括反應燒結法、熱壓燒結法、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的復合材料。

（2）先驅體法，采用有機或無機物為先驅體，所制備的大多為纖維增強的復合材料。高溫燒結法使用較早，其工藝也最成熟，獲得了廣泛的應用。

目前，國內上海硅酸鹽研究所將BN纖維和硅粉混合，采用反應燒結工藝制備了BN纖維增強 Si₃N₄基復合材料。利用用熱壓燒結法制備BN顆粒增強熔石英高溫天線罩材料，既改善了BN材料的燒結性能和抗熱震性，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度、斷裂韌性和耐燒蝕性能。

作者：李波濤