随着高超声速飞行器的发展,天线罩必须在更高的工作温度和更恶劣的环境中承受更大的负载和热冲击,同时需要具有更好的电磁波传输特性和更低的瞄准误差,具备全天候工作能力,因此,对透波材料的选择和电结构的设计提出了更为严格的要求。本课题针对耐高温高性能透波天线罩制备材料的迫切需求,优化复合材料的制备工艺,开展孔隙梯度化结构氮化硅基陶瓷制备与表面致密化研究,获得孔隙梯度化结构氮化硅基陶瓷的热、力和电学性能。通过调控各成分比例和烧结工艺,制备出孔隙可控氮化硅基陶瓷材料;设计制备了孔隙梯度化结构氮化硅基陶瓷,并对其进行了表面致密化处理,研究了复合材料力学、热学及电学性能;最后制备了孔隙梯度化结构氮化硅基天线罩,通过无损检测、耐热试验、静力试验以及电性能测试,评价了透波材料及天线罩的耐温性、结构强度及透波性能。首先采用液相溶胶替代部分陶瓷粉体,同时将造孔剂与粉体枝接等方式对原料进行预处理,并制备试样,在对材料孔隙率与介电性能的影响较小情况下,有效提高了多孔氮化硅的力学性能,其弯曲强度可提升21.7%。氮化硅坯体在烧结过程中经历了生成烧结助剂液相、α-Si3N4向β-Si3N4转变及烧结致密化过程。研究发现在1650℃保温可以有效使Yb2Si2O7结晶,经过结晶处理后试样的高温强度提升了68.9%。研究结果表明,材料的力学性能随着孔隙的增加而变差,而孔隙率增加有助于材料透波性能的提升,课题通过改变各工艺参数,实现了材料孔隙率在30.1%～80.3%间的可控调节。通过建立梯度氮化硅基陶瓷材料数学模型,进行多层结构的优化设计,确定选择梯度化结构材料的层数为5,厚度为5.8mm,选择孔隙率为30.1%、介电常数为4.8的氮化硅基陶瓷材料作为高致密层,选用孔隙率为80.3%、介电常数为1.3的氮化硅基陶瓷材料作为最内层,控制冷冻胶凝成型温度为-196℃,制备了梯度氮化硅基陶瓷平板试件。电性能测试表明,在8～40GHz的工作频率范围内,材料的透波率均大于70%。采取等离子体射频磁控反应溅射法制备多孔氮化硅表面致密层,沉积温度为500℃时,试样表面沉积层均匀性较好。表面致密化处理后的材料弯曲强度为287.7MPa,介电常数为4.97。基于上述梯度氮化硅基陶瓷平板试件制备工艺,确定了冷冻反应时间为15min,通过先脱除阳模再脱除阴模的脱模控制,有效改善了坯体因收缩不匀、受力不均等因素而造成的变形和表面开裂现象,制备出较大尺寸的梯度氮化硅基陶瓷天线罩样件。采用无损检测技术验证了天线罩型面完整,壁厚均匀,内部无危险裂纹或缺陷。通过静力试验考核了天线罩的承载性能,试验中,加载到150%载荷时,驻点位移为3.155mm,根部位移为0.275mm,试验后,天线罩无破坏、无损伤。通过静热试验考核了天线罩的耐热性能,天线罩外表面最高温度达到780℃,最高温度点出现在距离顶点0.15m的截面上,试验后,天线罩无破坏、无损伤。最后,测试了天线罩的透波性能,其最低透波率为71.5%。