高马赫数导弹的红外窗口材料有哪些？

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针对未来高马赫数导弹的发展趋势及红外窗口材料所面临的技术挑战，文章对比分析了当前几种常见的红外窗口材料。

MgO–Y2O3 纳米复相陶瓷具有出色的中波红外透过性能、极低的高温辐射系数、优良的高温力学性能、适中的热学性能以及仅次于蓝宝石的抗热震性，使其有望成为未来高马赫数导弹红外窗口/整流罩的最佳候选材料。

红外精确制导及红外对抗技术广泛应用于第 4代超音速战机、无人机、防空拦截导弹及空空导弹中。未来空中威胁目标性能的提高和空战特点的改变对空战的主战器——空空导弹提出了严峻的挑战，现有的第 4 代空空导弹难以对高隐身、高机动、高速的目标进行有效打击，也难以适应未来空战的需求。因此，研发更快攻击速度和更高打击精度的空空导弹，以适应未来空战的需要已势在必行。可以预见，未来高马赫数导弹必然对光电系统提出更高的要求。 

形容导弹速度的单位“马赫”换算成公里是多少?

马赫数不是恒定的速度值,因为其参照数值音速就是个变数音速在标准环境下（1个标准大气压,20摄示度）速度为1224公里/时. 

所以马赫数在标准环境下是1224公里/时,但是导弹或者飞机很少是在标准环境下运行的,所以马赫数也是不同的.其参照数值“音速”在不同空域高度,温度下有细微的差别,高度越高,声音速度越小.

红外窗口/整流罩是高马赫数导弹功能结构一体化的 1 个重要部件，在导弹光电系统中起到传输目标红外信号、保持气动外形和保护内部精密光电元件等 3 方面的作用。由于攻击速率要求的不断提高，红外窗口/整流罩的服役环境也越发恶劣，导弹在超高速飞行过程中，其前端与大气摩擦所产生气动力和气动热也急剧增加，红外窗口/整流罩处于如此复杂的热力混合作用状态，材料的光学和热力学性质会发生变化，包括：

1) 红外截止边蓝移使得透过范围减小，导致高温红外透过性能下降；

2) 材料自身红外辐射增强；

3) 易受到热冲击应力的破坏；

4) 高温下机械强度下降等，

从而造成光电传感器的灵敏度和分辨率下降，影响到红外传感器及其它光电装置的正常工作。未来高马赫数导弹的红外窗口材料在满足红外传播及低信噪比等光学性能的同时，也应兼顾其力学性能和抗热震性。

由于光电系统通常是在十分苛刻的条件下工作，因此对红外窗口材料有很高的性能要求，包括：

1) 光学性能：在工作波段具有更高的透射率、低的热辐射和双折射、高的光学质量；

2) 力学性能：机械性能好、能经受住高速飞行中沙砾雨水的冲击；

3) 热学性能：热导率高、热膨胀系数小、抗热冲击性能好；

4) 化学性能：能耐酸碱腐蚀、耐雨水侵蚀；

5) 电学性能： 较低的介电损耗、能抗电磁干扰；

6) 材料适宜加工和镀膜，且成本较低。

红外材料已发展成了 1 个庞大的家族，按物质形态主要分为红外玻璃、红外单晶、红外多晶及透红外塑料 4 类材料。目前 3～5 μm 中波红外探测器因其空间及温度分辨率高，在红外对抗、遥感、红外制导与侦查、高能激光武器、热像仪、夜视仪、火焰气体探测器、环境监测、空间通信等多个领域获得广泛的应用。在超高速飞行器中应用最为成熟的中波红外窗口材料有蓝宝石、镁铝尖晶石以及热压 MgF2 等，而氮氧化铝(AlON)同样极具发展前景，这些材料在中短程空空导弹、先进超音速战斗机的红外光电系统中扮演着重要的角色。

热压多晶氟化镁是在高温、高压条件下，由粒径分布窄、颗粒尺寸适宜的高纯氟化镁前驱粉体经热压而成，具有红外透过性能良好、机械强度高、抗热冲击较强及耐化学腐蚀的特点，是一种优异的透红外材料。热压 MgF2 研究工作开始于 20 世纪 50 年代中期，并在 1960 年前后取得突破性进展，研究人员成功研制出热压多晶氟化镁材料，并将其命名为 Kodak Irtran1。自此，热压多晶氟化镁材料开始受到广泛应用，如中波红外制导系统的整流罩以及飞行器的红外窗口等系统。热压氟化镁多晶材料主要用作红外窗口和整流罩材料，其用于中红外波段(3～5 μm)导引头罩的数量已占到其生产总量的 90 %以上。但抗热冲击性能不高，不能承受高速飞行过程中砂砾的碰撞和热冲击，只能应用于飞行速度低于2 马赫的飞行器红外窗口/整流罩。

透明多晶镁铝尖晶石(MgAl2O4 )作为红外光学材料，从 1961 年开始研制，主要采用 2 种制备工艺：热压/热等静压和无压烧结/热等静压。20 世纪 80 年代初，美国制备出性能较为完善的热压尖晶石陶瓷材料 ， 随即将其应用在先进短程空空导弹(ASRAAM)和先进中程空空导弹(AMRAAM)上，然而镁铝尖晶石的机械强度、硬度、抗热冲击性能偏低，不能满足未来高马赫数导弹对红外窗口/整流罩对高温力学性能的要求。

蓝宝石单晶，作为目前最理想的窗口和整流罩材料之一，具有很高的硬度、机械强度以及高温稳定性，能承受新一代导弹高速率产生的热冲击力，而且其透过波段横跨紫外、可见到红外，透过波段宽，能够适合电子制导系统的多种方式制导要求。迄今为止，在红外透明材料中，蓝宝石无疑是高马赫导弹整流罩材料的一种比较理想的选择。90 年代，美国生产的蓝宝石球面窗口已装在美国海军战区防御系统截击导弹的导引头上。

Sprint 防御拦截弹(HEDI)的整流罩也采用蓝宝石 。另外，蓝宝石材料已广泛应用在近程空对空导，但蓝宝石制备、加工成本偏高，温度升高时硬度、机械强度迅速降低(300~600 ℃)时出现最小值，机械强度损失 87%，硬度下降到 50%以下，自辐射系数明显升高等缺点。

氮氧化铝（AlON） 尽管在紫外、可见光、红外波段有高的光学透过率，并且具有媲美蓝宝石的机械强度和硬度，但其光学散射严重，且高温时自辐射系数明显升高，还不能完全满足高马赫导弹红外窗口/整流罩的要求。因此有必要发展一种透过率高、截止波长大、硬度和机械强度高、抗热冲击性能好、发射率低，且制备、加工成本低的新一代红外窗口材料。

MgO–Y2O3 纳米复相陶瓷的设计原理及结构 

图 1 AlON、蓝宝石、镁铝尖晶石和氧化钇在 700 K 时吸收系数的比较

近年来，越来越多的研究关注 Y2O3  和MgO 等纳米氧化物透明陶瓷。研究发现：Y2O3陶瓷具有低声子能量，紫外–可见–红外宽波段透过，以及低高温红外辐射系数等特点。图 1 为常用的红外窗口材料在 700 K 时发射率随波长变化曲线。相比于 AlON、蓝宝石及尖晶石，Y2O3 发射率随波长变化最小，相同温度下具有最低的高温红外辐射系数，有利于降低红外探测器信噪比，提高探测分辨率。此外，由于拥有较低的声子能量，Y2O3具有比其它的光学材料(蓝宝石、AlON、尖晶石等)大的截止波长(9.5 μm 左右)，更有散射率低、高温力学性能优良等优点，因此是一种很有前景的红外窗口材料。但是，单相纳米结构的 Y2O3粉体经过传统高温烧结时会发生严重的晶粒生长，因此，一般多晶Y2O3 陶瓷的力学性能、抗热冲击性能较差，限制了其在高马赫数导弹的窗口材料上的应用。MgO 与 Y2O3 同样属于立方结构，而相比 Y2O3 具有更高的透过率、机械强度、硬度和抗热冲击性能，但在空气中飞行时易受到雨水的腐蚀，不能单独作为红外窗口材料。

研究表明：降低晶粒尺寸是一种在不影响多晶陶瓷透过率的同时，提升力学性能的有效方法 。研究发现：第二相的存在可以在烧结过程中抑制邻近相的晶粒生长，特别是 2 相或多相组成拥有相近的体积比时，晶粒抑制效果最明显。  

大多数透明陶瓷的研究集中于单相，很少有关于透明纳米复相陶瓷制备的报道，这是因为即使有微量第二相的存在，也会引起明显的光学散射损耗，从而导致透过率的下降，只有当复相陶瓷两相的折射率非常接近时才可以使材料光学透明。如使用Y2O3 (600 nm 处，n=1.962)和 MgO(600 nm 处，n=1.736)来制备透明 MgO–Y2O3复相陶瓷则比较困难。特别是当晶粒尺寸接近波长时，散射将会十分严重。但如果晶粒尺寸远小于波长，则散射可以忽略。

 图 2 MgO–Y2O3 的伪二元相图 

 MgO–Y2O3的伪二元相图如图 2 所示。常压下，该体系的固溶点为 2110 ℃，低于这个温度时为稳定的两相混合物。可以看出它们各自对另一相的固溶度都非常低，可以通过粉体合成和(或)烧结对Y2O3和 MgO 进行复合，制备 MgO–Y2O3 纳米复相陶瓷。其中，Y2O3相和 MgO 相的晶界连接，充分利用 2 相晶粒的钉扎效应来抑制晶粒的生长。钉扎作用越明显，对晶粒生长抑制的作用就越大。为了获得最大的钉扎效应，需要满足如下条件：

1) 2 种纳米相拥有相同或相当的体积分数；

2) 在纳米复合粉体中2 相均匀分布。

 图 3 高温烧结过程中相域及晶粒尺寸演变示意图

高温烧结条件下的相域及晶粒大小演变示意图如图3 所示，可以看出：粉体中相域的尺寸越小，分布越均匀，越有利于在烧结过程中抑制晶粒的生长。此外，均匀的纳米级相分布可以提高纳米粉体的烧结性能，将有利于在烧成材料中形成具有连通且连续相的热稳定微观结构。

图 4为 3 mm 厚 MgO–Y2O3纳米复相陶瓷中考虑了反射、吸收和米氏散射等因素建立的模型，通过б固定基体晶粒直径，改变第 2 相晶粒直径计算出的透过率。该模型只考虑单次和独立的散射，可观察到随着晶粒尺寸的减小，纳米复相陶瓷的短波截止波长(透过率为 10%)逐渐左移。可以预见，如果晶粒足够小，MgO–Y2O3可以获得比较理想的红外透过率和较宽的透射波段，因此有利于减小由于窗口温度升高导致红外透过范围减小的影响。

材料的强度和晶粒尺寸之间存在某种关联，根据 Hall–petch 公式：

其中；σ0为移动单个位错时产生的晶格摩擦阻力；k为与材料的种类、性质、晶粒尺寸相关的常数；d为平均晶粒尺寸；H 为材料硬度。在一定范围内，随着晶粒尺寸的降低，材料的强度会增大。由于Y2O3相和 MgO 相的晶界连接，钉扎作用抑制了晶粒生长，因此 MgO–Y2O3 纳米复相陶瓷强度得到增强。和多晶Y2O3相比，MgO–Y2O3纳米复相陶瓷的机械强度、硬度、抗热冲击性能明显提高。

在第 4 次国际窗口整流罩技术和材料大会上，报道了 MgO–Y2O3纳米复相陶瓷，其在 3～7 μm 波段处的透过率可达 80%。此外，MgO–Y2O3纳米复相陶瓷比 MgF2、AlON、尖晶石等中波红外窗口材料拥有更加出色的力学性能及抗热冲击性能。近年来，针对纳米复合粉体不同的制备方法，以及快速烧结技术的应用，MgO–Y2O3纳米复相陶瓷的制备技术得到不断发展。

来源：《硅酸盐学报》2016年9月上 第44卷第9期：“红外透明 MgO–Y 2 O 3 纳米复相陶瓷研究进展”