红外窗口是红外成像系统的重要部件，具有传输目标信号、保持气动外形、保护内部元器件的作用，在现代战争中，具有高精度、强隐蔽、不易受干扰的优点的红外成像与精确制导技术是必不可少的关键，已经广泛运用于各种超音速战机、空空导弹和防御拦截系统。窗口材料通常需要具有工作波段高透的光学性能以及高强度、高硬度的机械性能，红外玻璃、红外陶瓷、红外单晶都是常用选择，然而相比于玻璃和单晶材料，陶瓷往往具有更高的热导率和强度，同时通过粉体烧结成型的陶瓷制备周期短、生产成本低，且更容易根据所需形状制备出大尺寸器件。

高超音速飞行器对红外窗口材料的需求

高超音速飞行器指的是能够达到5倍音速以上飞行速度的飞行器，凭借其远距离快速打击和有效突破现有防御体系的优势，正在成为各国博弈的焦点。高超武器的发展对红外光电系统和窗口材料也提出了更高的要求。

高马赫飞行所伴随的强烈气动加热会严重影响材料的原有性能和系统成像效果，这主要包括：

1) 高温引起材料的红外截止边蓝移，使得长波段透射性能下降；

2) 高温下材料自身的红外吸收与红外辐射都会增强，导致目标信号下降的同时产生强烈的背底噪声，使得信噪比下降难以分辨甚至完全淹没目标信号；

3) 高温可能会导致材料机械性能下降；

4) 气动热效应所带来的快速升温会产生剧烈的热冲击应力，引起应力畸变甚至直接导致窗口损坏破裂。

目前会考虑采取侧窗技术和抛罩技术来缓解红外光窗的气动热问题，但这将会极大地限制导弹飞行末端的制导能力和打击效果。这些问题都是窗口用红外透明陶瓷未来发展所需攻克的重点方向。

高超音速飞行器

透明陶瓷的制备方法

传统陶瓷材料其本身结构（晶粒的各向异性、晶界的存在）和存在的缺陷（气孔、杂质）所引起的散射和吸收使得其难以透光。为了获得透明陶瓷，通常需要选择高纯度的各向同性的无吸收材料，减少气孔提高致密度，同时防止产生第二相析出物，进一步还需要考虑减少晶界和表面抛光。

透明陶瓷的制备流程中最关键的步骤为粉体制备和烧结，常用的粉体制备方法包括液相沉淀法、溶胶–凝胶法、燃烧法、热分解法等，以获得适当晶粒分布的近球形粉体为最佳，同时需要避免粉体团聚导致烧结活性降低；烧结方法包括常规烧结、真空烧结、热压烧结、热等静压烧结(HIP)、放电等离子体烧结(SPS)、两步烧结等，以排除气孔获得高致密度为目标。对于各向异性材料以及复相陶瓷材料，还需要减小晶粒尺寸以减少散射损耗。

制作透明陶瓷的重要因素

窗口用红外透明陶瓷类型

1.氧化铝

氧化铝材料的一个分支，蓝宝石，即α-氧化铝单晶（不属于陶瓷），由于具有从紫外到中红外宽谱高透的光学性能和极高的强度、硬度，同时还具有高热导率和高抗热冲击品质因子，足以胜任绝大多数工作环境，是目前最理想的红外窗口材料之一。蓝宝石的制备技术不同于多晶陶瓷的烧结，而是立足于晶体生长技术，其大尺寸生长对设备要求极高，制备周期较长，其高硬度使得生长完成后的复杂加工成本较高，材料利用率较低，能生长出高质量晶体的近尺寸成型技术是将来研究的重点方向。

不过蓝宝石单晶属于六方晶系，结构中各向异性的存在使得加工时需要以c轴垂直于红外窗口，以避免双折射对成像系统的干扰，然而这也注定了其无法应用于大曲率、大视角光学成像系统。此外，沿c轴方向生长的蓝宝石晶格变形程度较大，制备高质量晶体难度较高。同时，蓝宝石具有较高的声子能量，导致其透射光谱在高温下会发生严重的截止边蓝移，影响透射性能，同时其自发辐射会急剧增高使得红外探测能力急速下降，此外，高温下沿蓝宝石c轴方向的压应力会引起晶面孪生并交叉形成裂纹导致机械性能下降，这些缺陷使其难以应用于高超音速飞行器。

蓝宝石窗口材料

氧化铝多晶陶瓷宏观上不存在双折射现象，微观上双折射和大量晶界的存在会使得其光学性能有所下降，但是仍然具有优异的机械性能。通过调节晶粒光轴取向

来避免微观双折射损耗可以提升其透过性能，不过过高的自发辐射使得氧化铝陶瓷同样无法应用于高超音速飞行器，目前氧化铝在窗口上的应用仍然以蓝宝石为主。

2.镁铝尖晶石

镁铝尖晶石在可见光到中红外都具有优异的透过性能，且优于蓝宝石和氮氧化铝。镁铝尖晶石具有光学上各向同性的立方晶体结构，这使得所制备陶瓷无需担心晶粒间折射率差异引起的强散射造透过性能下降，气孔成为了最主要的散射源，因此消除孔隙提高致密度是获取高质量尖晶石的重要手段。

镁铝尖晶石晶体结构

不过，镁铝尖晶石陶瓷热导率仍然相对较低，抗弯强度和抗热冲击性能也欠佳，且伴随着较强的自发辐射，同样无法应用于高马赫数飞行器。

3.氮氧化铝(AlON)

氮氧化铝材料同样具有尖晶石立方结构，在光学上各向同性，在近紫外到中红外波段都具有不错的透过率，具有比拟蓝宝石的机械性能。但是目前AlON的制备工艺难以解决其因为晶粒间组分不同和应力所导致的散射，这使得材料的实际透过性能难以达到理论值，制备高纯超细的近球形单相粉体是需要关注的重点。

不过，AlON陶瓷材料存在中红外透过光谱截止边较短的缺点，高温条件下红外截止边蓝移将严重影响光电系统探测效果，其本身发射率同样较高，无法应用于高超声速飞行器。

扩展阅读：

1.氧化铝粉体如何被用于制造AlON粉体？

2.氮氧化铝：一种可以防弹的透明陶瓷

4.氧化钇

Y₂O₃材料属立方晶系，具有光学性能的各轴同向性，从紫外到中红外波段都具有较为优异的透过性能，同时Y₂O₃声子能量较低，这能够很好地缓解高温截止边蓝移对中红外波段透过性能的影响，并且Y₂O₃自发辐射远低于蓝宝石、镁铝尖晶石和AlON，同时还具有较高的热导率，这意味着Y₂O₃在高马赫飞行器上的应用有一定的潜力。

不过尽管Y₂O₃具有优异的光学性能，但是抗弯强度低、抗热震性能较差使得Y₂O₃同样难以应用于高马赫飞行器。

氧化钇透明陶瓷

5.氧化锆

氧化锆材料在低温下为单斜相，750~1 200℃会向四方相转变，2372℃以上转变为立方相。其中单斜相和四方相的互相转化伴随着较大的体积收缩和膨胀，导致其烧结完成后的降温过程体积增加使得陶瓷易裂，这使得无法使用纯氧化锆粉体烧结制备陶瓷。通过参入足够的稳定剂可以使得氧化锆在降温中仍然保持立方相，常用的稳定剂包括CaO、MgO、Y₂O₃、Ce₂O₃等。当稳定剂添加较少时，立方相晶粒边界的大晶粒转会变为单斜相，小晶粒则保持为四方相，称为部分稳定氧化锆(PSZ)。通过调节稳定剂添加量，同时保持晶粒足够小，即可获得亚稳定四方相氧化锆(TZP)。

单斜相氧化锆光学性能和力学性能都较差，立方相则是力学性能欠佳，而部分稳定的四方相氧化锆则具有优异的力学性能和较高的红外透过率，可用于制备红外窗口。另外，氧化锆陶瓷的高温发射率优于蓝宝石和尖晶石，但是其热导率较差。低热导率可以避免窗口内侧温度过高从而影响光电元器件工作，但这使其将承受更大的热冲击考验。

6.氟化镁

氟化镁晶体属于四方晶系，拥有较低的折射率，紫外到中红外波段均高透，广泛应用于各种光学系统中，并且声子能量较低，高温引起的红外截止边蓝移和自发辐射并不会对成像性能造成严重影响。考虑晶体宏观双折射的存在和大孔径、大弧度、大视场角的光电系统需求，窗口材料一般不选择单晶而是采用热压氟化镁多晶陶瓷。热压氟化镁采用高纯纳米氟化镁粉体经过热压制备而成，在避免晶粒长大的同时排出气体、烧结致密。因为晶粒尺寸较小，各向异性双折射在中红外波段造成的散射损耗可以忽略，仍然具有优异的透过性能。

氟化镁光学窗口

不过热压氟化镁的一个缺点在与2.8μm和5.0μm处容易产生吸收峰影响透过性能，这主要归咎于MgF₂纳米粉体与水的反应。热压氟化镁的主要问题在于抗弯强度较差，热膨胀系数偏高，抗热冲击性能也不佳，飞行中还容易受到雨水和砂砾的磨损，同样无法应用于高马赫飞行器。

7.复相陶瓷

目前，单相陶瓷的性能不足以直接满足高马赫飞行的高温低辐射、高强度、宽带高透等性能需求，使得人们逐渐将目光投向了复相陶瓷领域，希望能够利用引入第二相来补充单相陶瓷的性能短板。最先聚焦的是低辐射率、宽带高透的氧化钇，引入同样长波截止且强度较高的氧化镁，希望在保留优异光学性能的同时，提高其机械性能。

总结

目前常用的红外窗口材料包括蓝宝石，镁铝尖晶石、AlON、MgF₂、Y₂O₃、Y₂O₃-MgO复相陶瓷等。强度和抗热震性能的限制使得MgF₂、Y₂O₃仅可适用于低马赫数飞行器，而Al-O键的存在使得蓝宝石、AlON等在高温下自发辐射严重，同样无法应用于高马赫飞行器。Y₂O₃-MgO复相陶瓷利用钉扎效应获得极小的晶粒尺寸，从而兼具较为优异的透过性能和机械性能，同时具有极低的高温辐射系数，是适用于高超声速飞行器极具潜力的候选材料。

目前，钇镁复相陶瓷材料的研究主要集中于粉体制备工艺与烧结工艺，对材料的掺杂改性方面的研究相对较少，如何在获得高致密度的同时防止晶粒长大是一个重要的研究方向。另外，氧化镁的引入使得钇镁复相陶瓷具有一定的吸湿性，表面镀膜或改性处理以提升窗口材料的抗侵蚀性能也是需要解决的问题。

参考来源：

1.李恺，范金太，姜本学，钱凯臣，田燕娜，尹晓蒙．窗口用红外透明陶瓷概

述[J/OL]．硅酸盐学报.

2.潘枝峰, 毛小建, 张红刚, 等. 高超音速中波红外窗口材料思考[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(9): 153–159.

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