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天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物，它在电气上具有良好的电磁波透过性能，在结构上能经受外部恶劣环境的作用。本论文针对高马赫数、宽频带高透波率天线罩材料的要求，通过对主要陶瓷基天线罩材料的性能比较和应用现状分析，确定了以氮化硅（Si3N4）陶瓷，特别是α-Si3N4，作为高马赫数导弹天线罩的首选材料：通过对天线罩壁结构进行优化设计和计算，首次提出采用孔隙梯度结构拓宽透波频带，从而使天线罩材料不仅满足高马赫数飞行的要求，还具有宽频带高透波率特性。
首先，研究以α-Si3N4为主相的Si3N4基陶瓷材料的低温致密化。采用MgO和A1PO4，MgO和Al2O3两种烧结助剂体系，利用放电等离子烧结（SPS）技术，制备了以α-Si3N4为主相的致密的Si3N4基陶瓷材料，对SPS实验工艺和低温致密化烧结机理进行了研究并且测试了烧结后Si3N4基陶瓷的物相组成和显微结构，并对材料的力学性能、介电性能和热学性能进行了测试，重点研究了烧结助剂对Si3N4基陶瓷材料致密化烧结机制和材料各项性能的影响。研究表明：采用MgO和A1PO4作为烧结助剂的Si3N4基陶瓷材料的初始烧结温度大约为1100℃，烧结完成温度为1400℃，烧结机理为A1PO4的固相烧结为主，并伴随有少量液相烧结，通过控制烧结助剂含量，在烧结温度为1400～1500℃的范围内，制备得到了致密度大于95%的以α-Si3N4为主相的Si3N4基陶瓷材料，且致密材料的抗弯强度最大为420MPa，介电常数约为7，介电损耗小于10×10-3，热膨胀系数为3～5×10-6/℃，通过调配A1PO4含量，可以有效控制和降低Si3N4陶瓷的热膨胀系数；采用MgO和Al2O3作为烧结助剂的Si3N4基陶瓷材料的初始烧结温度大约为1200℃，一旦温度超过这一温度点，样品便开始迅速收缩，烧结机理为液相烧结，只有当Al2O3含量为8wt．%，烧结温度高于1450℃时_才能够得到致密的以α-Si3N4为主相的Si3N4基陶瓷材料，致密材料的抗弯强度最大为350MPa，介电常数约为8，介电损耗大于10×10-3，热膨胀系数为6～7×10-6/℃，热膨胀系数较高且不可控，不适于用作天线罩材料。
其次，通过实验制备了具有不同孔隙率且孔隙率可控的Si3N4基多孔陶瓷。分别采用磷酸锆（ZrP2O7）和磷酸硅（SiP2O7）作为结合剂，利用无压烧结技术，在较低烧结温度下制备了具有高孔隙率、高强度、低介电常数且孔隙率与介电常数可控的Si3N4基多孔陶瓷，并系统地研究了材料的烧结机理、孔隙结构控制方法和力学、介电及热学性能。研究表明：ZrP2O7结合S13N4多孔陶瓷的孔隙率为33～47%，可以通过调配ZrP2O7的含量精确控制材料的孔隙率；材料的抗弯强度为40～114MPa，并且呈随孔隙率增大而减小的指数变化关系，介电常数为3．2～4．8，且与孔隙率呈Maxwell理论关系变化，介电损耗小于6×10-3。SiP2O7结合Si3N4多孔陶瓷的孔隙率为42～63%，抗弯强度为50～120MPa，在满足相同的力学强度的同时，比ZrP2O7结合Si3N4多孔陶瓷具有更高的孔隙率，材料的介电常数为2．2～3．8，且与孔隙率关系密切，介电损耗小于5×10-3。ZrP2O7结合Si3N4多孔陶瓷比SiP2O7结合Si3N4多孔陶瓷的蠕变速率高出近2个数量级，后者具有更好的抗热震性能。
然后，在Si3N4基致密陶瓷材料和多孔陶瓷的研究基础上，依据天线罩对宽频带透波性能的要求，采用微波传输线等效模型和四端网络结构算法，通过建立多层梯度结构天线罩材料的物理模型和数学模型，计算了其宽频带透波率，通过优化各层材料的结构参数和物性参数，确定了在1～18GHz范围内满足高透波率要求的最优物性参数和结构参数。研究表明：最内层介电常数εn<2．5，最外层介电常数εl<8，梯度结构层数为N>5，结构因子p>4，厚度d<7mm，材料在1～18GHz频带范围内的透波率大于70%。
最后，根据透波性能的优化设计结果，分别选择了满足设计要求的Si3N4基陶瓷材料，采用磷酸盐胶黏剂制备了孔隙率为3～63%的孔隙梯度结构Si3N4基陶瓷平板天线罩材料并对1～18GHz频带范围内的透波率进行了测试。研究表明：磷酸盐结合层的厚度约为150μm，微观结构均匀，与基体的界面结构稳定。磷酸盐结合层对Si3N4基陶瓷基体材料的介电性能几乎没有影响。孔隙梯度结构Si3N4基陶瓷材料透波率在1～18GHz的测试频率范围内均大于75%，满足宽频带高透波率要求，实测结果与理论计算结果比较吻合，说明天线罩透波性能设计可以起到指导实验的作用。