编号：CYYJ043959
篇名： 微-宏观协同构筑碳化硅基耐高温电磁吸波材料及性能研究
作者： 刘佳鑫
关键词： 电磁吸波; SiC基材料; 微-宏观结构设计; 吸波机制; 耐高温吸波材料;
机构：青岛理工大学
摘要： 近年来,雷达探测与电子设备的快速发展导致电磁波在军民用领域的覆盖范围日益广泛。然而,过量的电磁辐射将危害人体健康、威胁信息安全并干扰电子设备的正常运行。因此,研发电磁吸波材料并应用于涂层或建筑材料,是实现雷达隐身,解决电磁污染与干扰问题的关键手段。特别是在航空航天、核电站等复杂严苛的应用环境中,电磁吸波材料不仅要满足“质量轻、厚度薄、频段宽、吸收强”的高性能需求,还应具备耐高温、耐腐蚀、抗氧化等多重优异特性。 针对以上挑战,无磁性电磁吸波材料因其质量轻、化学性质稳定、吸波性能出色而备受关注。其中,碳化硅（SiC）基材料凭借其卓越的机械强度、热稳定性、抗氧化性和介电特性脱颖而出。然而,过高的温度会影响其复介电常数,导致阻抗失配。常用的改性方法因其复杂性与局限性限制了SiC基材料的实际应用。因此,通过结构设计来引入界面极化等多重损耗机制,成为构建宽频高效SiC基耐高温吸波材料的有效途径。本文以SiC基耐高温电磁吸波材料为研究核心,从微观尺度的单元吸波体设计到宏观层面主体吸波结构协同构筑独特的分级结构,旨在提高其在宽频范围内的吸波效能。 主要研究内容如下: （1）从微观单元结构设计,通过简单的高温煅烧工艺在SiC晶须（SiCw）表面原位生长二氧化硅（SiO2）,得到核壳结构SiC@SiO2纳米复合材料。研究了不同加热温度和保温时间下制备的SiC@SiO2纳米复合材料的电磁吸波性能。SiCw在1200℃下加热0.5 h时得到的纳米复合材料具有超宽频的电磁吸波效果。当填充比例在20wt%时,SiC@SiO2纳米复合材料在2.68 mm厚度下的最低反射损耗值(RLmin)为-36.8 dB,当厚度达到4.24 mm时,有效吸收带宽（Effective absorption bandwidth,EAB）达到9.85 GHz。优异的超宽频吸波性能主要得益于非晶态SiO2层有效改善了材料的阻抗匹配特性,并增加了电磁波在核壳结构内部的多重反射和散射。此外,通过Stober的方法制备SiO2纳米球包裹SiCw的SiC/SiO2纳米复合材料,对比验证了核壳结构的吸波优势。 （2）为构建宏观三维SiC基结构,提出以聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂和碳源,利用冷冻干燥法制备SiCw-PVA互连的三维骨架结构前驱体,再结合高温碳化方法,得到了三维多孔的SiC/C纳米复合材料。研究SiCw含量、碳化温度等关键参数对SiC/C纳米复合材料介电常数和吸波性能的影响规律。结果表明,800℃下碳化得到的三维多孔SiC/C纳米复合材料表现最优异的吸波性能。在厚度为2.95 mm时,最大EAB值为7.82 GHz。当厚度为2.28 mm,频率为17.62 GHz处的RLmin值达到-71.05 dB。独特的三维多孔结构为电磁波提供了更多的传输通道,且提高了材料的阻抗匹配特性。此外,PVA碳化在三维多孔骨架上形成导电网络,增强导电损耗,从而提高SiC/C纳米复合材料的吸波性能。 （3）结合微-宏观协同构筑,以冷冻干燥方法制备的GO/SiCw三维多孔结构为碳源骨架,通过碳热还原在GO上原位生长碳化硅纳米纤维(SiCnw),得到了由一维SiCw、SiCnw和二维还原氧化石墨烯（RGO）相互搭接的多维分级RGO/SiCls@SiO2纳米复合材料。最优样品在厚度为3.03 mm时,最大EAB达到8.68 GHz;在2.3 mm,频率为16.92 GHz时的最低反射损耗值为-68 dB。微-宏观协同构筑的多维分级吸波材料结合了核壳结构与多孔结构的吸波优势,优化了阻抗匹配,同时增强了多重反射与散射;高导电率的二维RGO与SiCw和SiCnw桥连搭接成导电网络,提高了导电损耗,且丰富的界面引入了更多的极化弛豫过程。综合阻抗匹配、多重反射与散射、介电和导电等多重损耗机制,赋予多维分级RGO/SiCls@SiO2纳米复合材料超宽频和强损耗的吸波效果。