氮化硅高温透波陶瓷的使用性能_氮化硅耐高温陶瓷
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氮化硅高温透波陶瓷的使用性能
摘要要:从氮化硅的晶体结构出发，主要介绍了氮化硅陶瓷优良的性能，并概括介绍了近年来氮化硅透波纤维和氮化硅基透波陶瓷复合陶瓷材料的研究进展。
关键词:氮化硅，透波，纤维，复合陶瓷材料，天线罩，先驱体浸渍裂解，力学性能，介电性能。
透波陶瓷材料通常应具有较高的电磁波透过率以及氮化硅的晶体结构及性能较低的介电常数和损耗，在运载火箭、飞船、导弹及返Ｓｉ３Ｎ４
主要有α－Ｓｉ３Ｎ４和β－Ｓｉ３Ｎ４两种变体。其回式卫星等领域中得到了广泛应用［１］。近年来，氮化中，α－Ｓｉ３Ｎ４为颗粒状晶体，是低温稳定型；β－Ｓｉ３Ｎ４物陶瓷陶瓷材料因其优异的性能成为国内外研究的热点为长柱状或针状晶体，为高温稳定型之一。在１４００～１６００℃，α相可转变为β相。两种晶型的基本结构单氮化物透波陶瓷主要包括ＡｌＮ、ＢＮ和Ｓｉ３Ｎ４等。元均为［Ｓｉ３Ｎ４］四面体，Ｓｉ原子位于四面体的中心，ＮＡｌＮ陶瓷强度和模量高，抗热震和耐腐蚀性良好，但原子位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共介电常数相对较高；ＢＮ陶瓷热稳定性和介电性能优用一个Ｎ原子的形式，在三维空间形成连续而又坚异，是为数不多的分解温度能达到３０００℃的化合物固的网络结构之一，并且在很宽的温度范围内具有极好的热性能和相对于其他氮化物透波陶瓷材料，Ｓｉ３Ｎ４的性能优异，但力学性能较差，且高温易氧化。Ｓｉ３Ｎ４陶瓷如线胀系数低，抗热震性十分优异；在１３００℃下强度在高温和常温下都具有良好的力学性能，同时还具有较高；介电性能良好，化学性能稳定，抗氧化性能突出，良好的热稳定性、低的介电损耗、高的耐冲蚀性能，是一种综合性能优良的透波陶瓷材料。还原气氛中使用温度可达１８５０℃。
典型氮化物氮化硅透波纤维的研究进展均良好的纤维进行增强，可作为候选的有玻璃纤维、对于导弹天线罩等透波部件，要实现电磁波的正石英纤维、Ｓｉ３Ｎ４纤维、ＢＮ纤维等。部分透波纤维的常传输，必须选用常温和高温下介电性能和力学性能基本性能。
石英纤维的介电性能极为优异，可实现宽频透波的特性，且耐高温。但石英纤维在超过８００℃时，因析晶而使强度迅速下降，当温度超过１２００℃时，由于晶粒长大而导致强度损失殆尽。
ＢＮ纤维则具有耐高温、高温力学性能优异、介电性能优良等特性，其抗氧化温度比碳纤维和硼纤维还要高，可在９００℃以下的氧化气氛和２５００℃以上的惰性气氛中长期使用。然而，研究表明在大于２０００℃时，ＢＮ陶瓷陶瓷材料烧蚀表面的温度过高，沿厚度方向的温度梯度小，高温介电性能较差，会导致电磁信号异乎寻常的衰减。此外，由于ＢＮ为类似于石墨的层状晶体结构，每一层为网状的硼氮六元环，层间为较弱的范德华力结合，现有工艺条件很难使ＢＮ纤维沿着硼氮原子面高度取向，故其产品拉伸强度均较低。
Ｓｉ３Ｎ４纤维综合性能十分优异：不但具有高比强、高比模等优越的力学性能，还具有耐高温、耐化学腐蚀、良好的耐热冲击性以及高耐氧化性。它主要应用于金属陶瓷基复合陶瓷材料的增强陶瓷材料和防热功能复合陶瓷材料的制备，在透波陶瓷材料中也有极大的应用前景。
采用Ｓｉ３Ｎ４纤维作为透波陶瓷材料的增强体主要有两大好处：一是Ｓｉ３Ｎ４自身结构稳定，Ｓｉ—Ｎ键能大，使得纤维具有较高的强度；二是Ｓｉ３Ｎ４纤维优异的热稳定性使其可以长时间在较高温度下使用，而性能降低很少。此外，美、日等发达国家的实验表明，Ｓｉ３Ｎ４纤维能与各种陶瓷基体很好的复合。因此，Ｓｉ３Ｎ４纤维有望成为一种新型高温结构／功能陶瓷材料。
Ｓｉ３Ｎ４纤维主要采用先驱体聚合物热解法制备，与由有机硅聚合物制备ＳｉＣ纤维相似，也包括聚合物（聚硅氮烷等）合成、纺丝、不熔化处理（干法纺丝无须进行）和高温烧成４步工序。目前，世界上只有美日等少数几个国家制备出了连续Ｓｉ３Ｎ４透波纤维 这种Ｓｉ３Ｎ４纤维纯度很高，直径１０μｍ，密度２．３９ｇ／ｃｍ３，拉伸强度２．５ＧＰａ，拉伸模量３００ＧＰａ，且具有良好的耐高温性与抗氧化性，适用于制备高性能陶瓷基复合陶瓷材料。３ 氮化硅基透波复合陶瓷材料的研究进展和应用。
Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料具有强度高、热稳定和化学稳定性好等优点，且与石英、ＢＮ等复合后能够获得良好的介电性能，适合用作高性能透波陶瓷材料。从上世纪８０年代起，以Ｓｉ３Ｎ４为基本组成的陶瓷天线罩陶瓷材料成为西方各国研究的重点之一，美国尤甚。１９８２年［３６］，美国波音公司利用反应烧结Ｓｉ３Ｎ４的密度可控性，研制了多倍频程宽带天线罩。其罩壁结构为两层，基体为低密度（０．６～１．８ｇ／ｃｍ３）Ｓｉ３Ｎ４芯层，表层为较薄的高密度Ｓｉ３Ｎ４陶瓷材料。这种高密度、高介电常数表层与低密度、低介电常数芯层的组合，可使天线罩在宽频带范围内满足电性能要求。１９９２年，美国战略防御司令部启动了高超声速导弹天线罩研究计划，其中Ｓｉ３Ｎ４天线罩的研究计划被重点提出。
同时，美国空军开发了一种Ｓｉ３Ｎ４宽频天线罩［３９］，该天线罩陶瓷材料中加入了一种填料，使其在高温下升华形成多孔结构，通过控制加入填料的量来调节产物在不同部位的密度。也是最为常用的方法，其工艺简单、易于大规模生产，且产品具有较高的致密度。它主要包括反应烧结、热压烧结、热等静压烧结等方式。性很大，合成困难，成本高，其分离和纯化也是一个关键问题；氮化硅连续纤维的性能不稳定，且杂质含量较高；氮化硅陶瓷材料介电常数偏大（一般为５～８），作为高性能透波陶瓷材料应用仍需进行改进。
然而，由于这种陶瓷材料体系综合性能优异，已引起了各国航天领域专家越来越多的关注。未来氮化硅透波陶瓷材料的研究将主要集中在发展性能稳定可靠的连续氮化硅透波纤维以及研究新的氮化硅基透波复合陶瓷材料低成本制备和成型加工工艺两方面。在导弹武器系统飞速发展的背景下，随着理论研究的不断深入和工艺技术的不断改进，氮化硅高温透波陶瓷材料凭借其优越的综合性能，将在超声速、高超声速导弹及飞行器天线罩上获得广泛应用，成为新型透波陶瓷材料研究的重要方向之一。
参考文献
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