● 摘要
近年来，随着超音速飞行器的飞行马赫数越来越高(>5Ma)以及应用环境日趋严苛，对天线罩透波材料性能的要求越来越严格，尤其是抗热震性能和介电性能。目前陶瓷透波材料主要是致密二氧化硅和多孔氮化硅陶瓷。致密二氧化硅介电性能较好，但是存在力学性能较差的局限。多孔氮化硅陶瓷由于具有出色的力学性能、高温强度、韧性、抗蠕变性，目前成为透波材料研究的热点。然而其介电性能和抗热冲击性能尚不理想。因此，本文提出采用原位反应方法制备Si3N4/Si-B-O-N透波材料的新方法，利用Si-B-O-N优异介电性能和热性能改善多孔氮化硅陶瓷的介电和抗热震性能，制备综合性能良好的多孔氮化硅透波材料。
本文使用氮气保护无压埋粉烧结方法，在1740℃烧结成不同组分的Si3N4/Si-B-O-N多孔陶瓷。首先，对原位反应进行了研究，接着通过一系列测试方法，对样品的物相、微观结构和性能进行研究，探讨了不同组分及微观结构对材料性能的影响。另外，还对Si3N4/Si-B-O-N多孔陶瓷半水基氮化铝水解辅助成型工艺进行了初步探讨。
本文先研究了原位反应的进程和不同组分对材料性能的影响。α-Si3N4与B2O3原位反应在450℃左右开始反应，到1100℃左右原位反应结束。随着H3BO3添加量的增多，试样的气孔率变大，室温弯曲强度降低，介电常数变小，高温弯曲强度保持率降低(但总体保持率在80%以上)。此外，Si-B-O-N的引入可以明显提高氮化硅陶瓷的抗热震性能(1300℃)，且不受Si-B-O-N含量的影响。
然后研究了Si3N4/Si-B-O-N的微观结构及其对材料性能的影响。研究发现h-BN晶粒在非晶态Si-B-O-N之中析出，h-BN晶粒与非晶态Si-B-O-N之间存在过渡层。含有h-BN晶粒的非晶态Si-B-O-N包覆β-Si3N4晶粒，二者之间依靠过渡层连接。热震过程中，包含h-BN的非晶态Si-B-O-N通过蠕变缓冲热应力，改变微观结构和气孔形貌，从而增强试样弯曲强度。Si-B-O-N的引入明显改善氮化硅的介电性能和抗热震性能，成功制备出综合性能良好的多孔氮化硅透波材料。
最后研究了Si3N4/Si-B-O-N的半水基氮化铝水解辅助成型工艺。半水基溶液(20wt%叔丁醇与80wt%水的混合溶液)对AlN水解不存在阻碍现象。实验证明，温度对AlN水解反应进程有着较大的影响。浆料的PH值适宜范围为10.4~10.6，在该范围内浆料具有较小的百分沉降比和较低的粘度。固相含量在42vol%以下的浆料具有适宜浇注的低粘度。最终初步确定了Si3N4/Si-B-O-N的半水基氮化铝水解辅助成型工艺。