高温透波材料是指对波长在1～1000mm、频率在0.3～300GHz的电磁波在足够高的温度下的透过率>70%的材料。结构透波材料体系主要有耐高温及常温应用的透波材料，这两种材料体系的典型代表分别为陶瓷透波材料及聚合物基复合材料。陶瓷透波材料与聚合物基复合材料分别应用于导弹、飞行器天线罩、天线窗以及雷天线罩等。下文将重点介绍氮化硼高温透波材料。   

一、氮化硼陶瓷概述

氮化硼（BN）是一种重要的非氧化物陶瓷材料，常见的有类似石墨的六方晶型（h-BN）、类似金刚石的立方晶型（c-BN）和类似无定形碳的无定形态。

六方晶型h-BN 在6000～9000MPa 压力、1500～2000 ℃高温和催化剂（碱金属或碱土金属）的作用下，会转变成为c-BN。而用作高温透波材料的主要是h-BN，俗称“白石墨”，其晶体为层状结构，每一层由硼、氮原子相间排列成六角环状网络。层内原子之间呈很强的共价结合，B-N原子间距为0.1446 nm，原子间弹性模量 E为910 GPa，所以结构致密，不易破坏，要到3000 ℃以上才分解。

正因为如此，相对于氧化铝、融石英、氮化铝、氮化硅等陶瓷材料，BN陶瓷有着独特的性能：热稳定性和介电性能优异， 是为数不多的分解温度能达到3000 ℃的化合物之一，并且在很宽的温度范围内具有极好的热性能和电性能的稳定性。

然而，由于BN陶瓷强度、硬度、弹性模量偏低，热导率高，抗雨蚀性不足，且难以制成较大形状构件，因此单相的BN陶瓷在天线罩上尚未得到真正应用。目前研究的主要为BN透波纤维和BN透波复合材料两大类。

二、氮化硼透波纤维

BN纤维兼备了BN材料和纤维材料各自所特有的多种优良性能，与某些适用于高超音速导弹应用环境的无机纤维( 如氮化硅纤维、石英纤维等) 相比，具有耐高温、高温力学性能优异、介电性能优良、可吸收中子等特性。BN纤维的抗氧化温度比碳纤维和硼纤维还要高， 可以在 900 ℃ 以下的氧化气氛和 2800 ℃ 以下的惰性气氛中长期使用。

1、BN纤维的制备方法

BN纤维的制备方法主要有两种，无机先驱体法和有机先驱体法。

（1）无机先驱体法

无机先驱体法利用硼酸为原料制备B₂O₃先驱体纤维，该纤维在NH₃、N₂气氛下，高温转化为BN纤维。

（2）有机先驱体法

有机先驱体法先通过有机聚合物( 主要为硼-氮聚合物和硼-氧聚合物) 在气氛保护下进行纺丝， 再经过高温氮化处理获得BN纤维。有机先驱体法制备的产品具有较好的加工性，可以制备高质量的纤维，目前是主要发展趋势。

2、氮化硼透波纤维研究进展及应用

目前，在可作为导弹天线窗、天线罩等防热透波部件的陶瓷基复合材料中，具有耐热性、介电性能良好的石英纤维和BN 纤维可作为增强纤维使用。与石英纤维，BN 纤维具有如下优点：

（1）2000 ℃ 以内的惰性气氛中晶粒不会长大，强度不会下降；

（2）介电性能优异，复合材料集体材料的选择选择范围更广泛；

（3）高温性能优异，飞行器飞行摩擦发热过程中，能够保证部件的可靠性和安全性。

因此，BN纤维在航天透波领域具有很好的应用前景。

20世纪60年代， 美国的金刚砂公司最早开始了以B₂O₃纤维作为先驱体制备BN纤维的研究，之后，苏联、日本、中国等相继开展BN纤维的研究。美国的Economy于1967年以硼酸为原料制备B₂O₃先驱体纤维，该纤维在NH₃（大于1000 ℃）及N₂（小于2000 ℃）气氛中高温转化为BN纤维。

我国的山东工业陶瓷研究设计院于1976年开始研究此工艺，并制备出了定长BN纤维和连续BN纤维产品，且性能指标优良。

目前，BN纤维研究较为出色的是法国的Miele公司，采用 BCl3与NH₄Cl 在低温下制得含环状三氯硼氮烷，再与二甲胺反应，制备出2，4-（双单甲基胺）-6-单甲基胺硼烷单体。然后在惰性气体保护下聚合，熔融纺丝，经氨气和氮气的高温处理，得到数种高性能的BN 纤维，其拉伸强度达到1000MPa 以上， 弹性模量达250 GP 以上。

BN纤维所表现出的优异特性，一直被军事航天及其它相关领域所关注。近年来国内外对该领域的研究十分活跃，各种合成路线相继出现具有很好的应用前景。

三、氮化硼透波复合材料

利用BN分解温度高、介电性能优异的特性，将其与石英纤维、氮化硅陶瓷等复合， 可制成综合性能优异的透波复合材料。

目前，氮化硼透波复合材料的制备方法主要有两种：高温烧结法和先驱体法。

（1）高温烧结法， 包括反应烧结法、热压烧结法、热等静压法等，其原料主要是各种陶瓷粉体，所制备的大多为颗粒增强的复合材料。

（2）先驱体法，采用有机或无机物为先驱体，所制备的大多为纤维增强的复合材料。高温烧结法使用较早，其工艺也最成熟，获得了广泛的应用。

目前，国内上海硅酸盐研究所将BN纤维和硅粉混合，采用反应烧结工艺制备了BN纤维增强 Si₃N₄基复合材料。利用用热压烧结法制备BN颗粒增强熔石英高温天线罩材料，既改善了BN材料的烧结性能和抗热震性，又使烧蚀表面温度从3300 ℃降低到2200～ 2400 ℃，增大了沿透射方向的温度梯度， 改善了高温介电性能，同时又提高了熔石英的强度、断裂韧性和耐烧蚀性能。

作者：李波涛