SiCN先驱体陶瓷气凝胶复合材料的构筑及其吸波性能研究

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随着电子设备和微波通讯的飞速发展,电磁污染和通信安全问题日趋严重,亟待解决。高性能吸波材料是降低电磁污染、提高通讯安全的重要手段之一。此外,吸波材料是实现武器装备隐身,提高其生存能力的重要的物质基础。因此,研究开发高性能的吸波材料具有十分重要的科学意义和应用价值。SiCN先驱体陶瓷气凝胶具有三维立体网状结构、比表面积大、质量轻、优良的高温稳定性及耐腐蚀/抗氧化性和优异的吸波性能。然而,SiCN先驱体陶瓷气凝胶存在松、脆、力学性能差的缺点,限制了它的进一步应用。本文创新性的引入力学性能良好的莫来石纤维毡和多孔氮化硅改善SiCN先驱体陶瓷气凝胶的力学性能。主要是利用高压浸渍技术将液态SiCN先驱体陶瓷气凝胶的前驱体浸渍到莫来石毡或多孔氮化硅中,通过高温热解形成SiCN先驱体陶瓷气凝胶复合材料实现结构-功能一体化。主要的研究结果和内容如下:(1)SiCN先驱体陶瓷气凝胶的制备与吸波机理研究:根据SiCN先驱体中的Si-H与二乙烯基甲苯中的C=C之间硅氢加成反应形成SiCN气凝胶的机理,我们通过改变Si-H与C=C摩尔比实现其成分与结构调控。结果表明随着Si-H/C=C摩尔比增加,SiCN先驱体陶瓷气凝胶的比表面积明显下降,含C量变大,进而实现电磁波耗散能力的调控。SiCN先驱体陶瓷气凝胶与石蜡的质量比为30:70,Si-H/C=C摩尔比为1:1.5时,SiCN先驱体陶瓷气凝胶的回波损耗(RL)值可达-54.35 d B,对应的有效频带宽为4.16 GHz,表现出优异的吸波性能。(2)SiCNa/Mullitem复合材料的微结构调控与吸波机理研究:采用高压浸渍技术实现莫来石纤维毡增强SiCN先驱体陶瓷气凝胶复合材料的制备。通过调整SiCN先驱体陶瓷气凝胶的含量、Si-H/C=C摩尔比、热解温度等制备工艺参数,实现复合材料成分、孔结构和游离碳石墨化程度的调控,最终获得具有优异吸波性能的SiCNa/Mullitem复合材料。结果表明,通过改变浸渍次数可以实现SiCN先驱体陶瓷气凝胶含量的调控(12.8-37.5 wt%);当热解温度为1000°C,SiCNa含量为22 wt%,Si-H/C=C摩尔比为1:1时,SiCNa/Mullitem复合材料具有最小RL值,-39.38 d B;当热解温度为1000°C,SiCNa含量为37.5 wt%,Si-H/C=C摩尔比为1:1.25时,SiCNa/Mullitem复合材料的吸波频带宽几乎覆盖整个X波段,展现出良好的吸波性能。SiCNa/Mullitem复合材料具有优异的吸波性能原因有以下几点:其一是具有大量的孔组成的三维网络结构,能够引起电磁波的多重反射和散射,延长其传播路径,进而增加电磁波损耗的几率;其二是莫来石纤维的引入构成了典型的吸波材料所具备的导体-半导体-绝缘体三者结合的结构,导致复合材料界面极化的能力增强;其三是莫来石纤维的引入使其阻抗匹配性提高,有利于扩宽吸收频带。(3)SiCNa/Si3N4复合材料的微结构调控与吸波性能研究:在(2)的基础上采用力学性能更好的多孔氮化硅作为骨架材料,并在其中浸渍SiCN先驱体陶瓷气凝胶,形成SiCNa/Si3N4复合材料,同时通过浸渍次数、热解温度等工艺参数的改变,实现了复合材料成分、结构和性能的调控。结果表明,当浸渍次数为4次时,SiCN先驱体陶瓷气凝胶的含量达到最大值,~5 wt%,此时复合材料的比表面积比单纯多孔Si3N4材料提高约2.5倍;在所选热解温度(800-1100°C)范围内,未发现明显的新相生成,证明SiCN先驱体陶瓷气凝胶的引入对多孔Si3N4材料未产生不利影响。当热解温度为1000°C时,SiCNa/Si3N4复合材料具有最佳的吸波性能,且其有效吸波频率可在6.06-14.79 GHz范围内实现有效调控,展现出优异的吸波性能,同时实现了结构-功能一体化。
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