【摘 要】
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聚合物转化SiC陶瓷(Polymer derived SiC ceramics,PDCs-SiC)及其陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、抗氧化、良好的力学性能和优异的电学性能,是航空航天吸波材料的热点方向。SiC陶瓷由于高的电阻率导致SiC陶瓷吸波性能差、吸收频带窄,在2~18GHz频率范围内反射损耗大于-10 d B。聚合物转化SiC陶瓷的吸波性能与其微观结构密切相关,调控SiC陶瓷微观结构和吸
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聚合物转化SiC陶瓷(Polymer derived SiC ceramics,PDCs-SiC)及其陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、抗氧化、良好的力学性能和优异的电学性能,是航空航天吸波材料的热点方向。SiC陶瓷由于高的电阻率导致SiC陶瓷吸波性能差、吸收频带窄,在2~18GHz频率范围内反射损耗大于-10 d B。聚合物转化SiC陶瓷的吸波性能与其微观结构密切相关,调控SiC陶瓷微观结构和吸波性能之间的关系,可以达到改善SiC陶瓷吸波性能差与吸收频带窄的目的。本文通过元素掺杂改性聚碳硅烷(PCS)前驱体,研究不同元素Co、Ni、Fe掺杂量改性PCS前驱体后对其转化陶瓷微观结构及吸波性能的影响。采用PCS为陶瓷前驱体,乙酰丙酮钴(Co(acac)2)、乙酰丙酮镍(Ni(acac)2)、乙酰丙酮铁(Fe(acac)2)为掺杂元素源,通过低温交联改性得到掺杂元素的PCS前驱体,热解后研究元素掺杂对吸波性能的影响。再利用前驱体浸渍裂解法(PIP法)制备元素掺杂的SiC/SiCf复合材料,分析元素掺杂对SiC/SiCf复合材料力学性能的影响。研究工作主要包括:(1)研究了元素Co不同掺杂量对PCS前驱体热解过程和热解产物性能的影响。研究结果表明:10%Co(acac)2改性的PCS前驱体陶瓷产率从82.3%上升到87.2%,陶瓷化过程中,元素Co促进了碳化硅和石墨晶体的形成,并形成新的晶相Co Si晶体,10%Co-SiC陶瓷晶粒大小从SiC陶瓷的25 nm增大到52 nm,5%Co-SiC陶瓷反射损耗低至-25.5d B(样品厚度为5 mm,频率为14.64 GHz)。通过PIP法制备了元素Co掺杂SiC/SiCf复合材料,Co元素的掺杂将SiC/SiCf复合材料的抗弯性能从590.73 MPa提高至644.06 MPa。(2)研究了元素Ni不同掺杂量对PCS前驱体热解过程和热解产物性能的影响。研究结果表明:10%Ni(acac)2改性的PCS前驱体陶瓷产率从82.3%上升到89.5%,陶瓷化过程中,元素Ni促进了碳化硅和石墨晶体的形成,并形成新的晶相Ni2Si晶体,10%Ni-SiC陶瓷晶粒大小从SiC陶瓷的25 nm增大到47 nm,5%Ni-SiC具有最佳的吸波性能,在厚度为5 mm、频率为17.51 GHz的反射损耗降低到-25.10 d B,其对电磁波的吸收达到99.9%以上,有效吸收带宽为1.78 GHz。通过PIP法制备了元素Ni掺杂SiC/SiCf复合材料,Ni元素的掺杂将SiC/SiCf复合材料的抗弯性能从590.73 MPa提高至627.01 MPa。(3)研究了元素Fe不同掺杂量对PCS前驱体热解过程和热解产物性能的影响。研究结果表明:10%Fe(acac)2改性的PCS前驱体陶瓷产率从82.3%上升到85.9%,陶瓷化过程中,元素Fe促进了碳化硅和石墨晶体的形成,并形成新的晶相Fe Si和Fe3Si晶体,10%Fe-SiC陶瓷晶粒大小从SiC陶瓷的25 nm增大到32 nm,5%Fe-SiC陶瓷在厚度为2.0 mm,频率为11.28 GHz时,反射损耗达到-10.42 d B,有效吸收带宽为0.24 GHz(12.08-12.32 GHz)。通过PIP法制备了元素Fe掺杂SiC/SiCf复合材料,Fe元素的掺杂将SiC/SiCf复合材料的抗弯性能从590.73 MPa提高至610.15 MPa。总之,元素掺杂降低了PCS前驱体的固化和交联温度,提高了陶瓷产率、微波吸收性能和力学性能。其中Ni掺杂的影响最为显著。用10%Ni(acac)2改性的PCS前驱体陶瓷产率从82.3%提高到89.5%。5%Ni-SiC具有最佳的吸波性能,在厚度为5 mm、频率为17.51 GHz的反射损耗降低到-25.10 d B,其对电磁波的吸收达到99.9%以上,有效吸收带宽为1.78 GHz。采用PIP法制备了元素Ni掺杂的SiC/SiCf复合材料,力学性能从590.73MPa提高到627.01 MPa,为实现吸波材料的“薄”、“轻”、“宽”、“强”提供了参考。
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