多孔陶瓷负载SiCN复合材料的制备与吸波性能研究

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吸波材料在电子通信、数据传输、军事隐身、电磁防护等领域已有广泛应用。但如何设计开发能在高温、强腐蚀等恶劣环境下工作的吸波材料仍是当前亟待解决的问题。吸波材料通常由透波基体和电磁波吸收剂组成。氮化硅和氧化铝陶瓷由于具有较低的介电常数和良好的耐高温性能被认为是理想的高温吸波基体材料,但其密度较高。同时目前常用吸波剂材料如碳材料和磁性材料等,在与陶瓷复合并高温烧结过程中易于氧化、分解而失效。聚合物前驱体陶瓷(PDCs)由于具有耐高温、抗氧化、陶瓷转化温度低、对吸波剂材料具有包覆和保护作用,有着独特的成分及介电性能可调控性成为高温吸波材料的重要候选材料之一。但PDCs陶瓷在有机前驱体向陶瓷的转化过程中失重较大,材料致密化困难、力学性能较差,难以单独作为结构件应用。本文设计了一种多孔陶瓷负载SiCN前驱体陶瓷的复合材料,将复合了磁性吸波相的液态聚硅氮烷前驱体分别浸渍在多孔Si3N4、Al2O3陶瓷中,热解后前驱体陶瓷可原位析出SiC和自由碳等吸波相,协同引入的磁性粒子,可对电磁波进行有效损耗和吸收。研究了材料组成及微观结构等对吸波性能的影响,探讨了复合材料吸波机理,对材料的电磁性能及应用进行了仿真模拟。论文主要研究结论如下:(1)分别以苯甲酸、硬脂酸和聚甲基丙烯酸为造孔剂,在1700℃无压烧结制备了多孔S没有N4陶瓷。研究了造孔剂的种类及含量对多孔Si3N4陶瓷物相组成、微观结构、气孔形状及分布、显气孔率和高频介电性能的影响。结果表明,所制备多孔Si3N4陶瓷的主晶相为β-Si3N4,当苯甲酸的加入量为30 wt.%~50 wt.%时,材料的气孔率可达30.3%~48.7%,气孔尺寸大小合适且分布均匀,抗弯强度为43.3~96.4 MPa,在2~18 GHz的频段范围内介电常数平均值为4.1~5.5。其较高的气孔率和较低的介电常数适合作为吸波材料的基体。利用前驱体浸渍热解法制备SiCN/Si3N4复合陶瓷,并研究了浸渍次数和气孔率对复合材料物相组成、微观结构及电磁吸波性能的影响。结果表明,经过浸渍热解后的样品内部出现了β-SiC纳米管和游离碳,能够通过介电损耗增强材料对电磁波的吸收。添加30 wt.%苯甲酸的样品在13 GHz左右处的反射率值最低接近-15 dB,此时样品电磁波的吸收率接近于99%,意味着该样品与空气间的阻抗匹配程度较高,且电磁波在样品内部的传播过程中被吸收和消耗较多,吸波性能较好。(2)以多孔Si3N4陶瓷为载体,以不同的含铁化合物为铁源,与聚硅氮烷前驱体混合,浸渍于多孔陶瓷中,经1000℃热解后得到SiCN(Fe)/Si3N4复合陶瓷吸波材料。结果表明,以乙酰丙酮铁作为铁源时,添加量为5 wt.%时的复合材料吸波性能最好。在15 GHz左右时样品的ε’为0.5左右,tan δE最高峰值为3.49,说明材料与空气之间的阻抗匹配程度较好,有利于入射电磁波进入材料内部,样品的反射率(R)低于-20 dB,表明此时样品的电磁波吸收率为99%以上。样品的Cole-Cole曲线上出现了明显的圆弧,说明该样品在高频电磁波的环境中,存在介电弛豫的现象。以纳米氧化铁作为铁源时,经过3次浸渍热解循环后,样品ε’的最低值为2.6,ε"的最高值为1.72,tan δE为0.49左右,同时该样品在2~18 GHz频段内的常数C0为定值,表明磁损耗机制为涡流损耗。(3)以碳粉为造孔剂制备了多孔Al2O3陶瓷,分别以乙酰丙酮铁和纳米氧化铁为铁源,制备了 SiCN(Fe)/Al2O3复合多孔吸波陶瓷材料。结果表明,以乙酰丙酮铁作为铁源当热解温度为1000℃时,添加量为3 wt.%,样品的厚度为3.5 mm时,其反射率在12 GHz处最小为-18 dB左右,并且在9~13 GHz之间反射率值均在-10 dB以下,有效吸收带宽为4 GHz。当α-Fe的含量逐渐增加时,电磁波的损耗机制逐渐由介电损耗转变为由磁损耗占主导地位。以纳米氧化铁作为铁源时,随着浸渍热解次数的增加,α-Fe2O3及α-Fe的衍射峰峰高逐渐增加,当电磁波入射到材料中时,α-Fe2O3和α-Fe会在样品内部引起磁损耗,增强材料对于电磁波的损耗和吸收作用。其中经过浸渍热解四次的样品在15.5 GHz左右的反射率最小,为-10 dB左右,此时电磁波的吸收率达到90%,样品的阻抗匹配值较高,材料表面与空气之间的阻抗匹配程度较好,样品内部出现了极化弛豫现象,电子发生运动产生次生的交变电磁场,阻止外部电磁场深入到材料的内部,趋肤深度值较小。(4)使用CST软件对多孔陶瓷基复合材料进行了结构的设计和吸波性能的仿真计算。在前期实验基础上,对材料的结构和电磁参数进行了构建和设置,计算得到材料在6~18 GHz的较宽频段内可实现电磁波的吸收率为90%~99%之间。基于制备材料的基本参数值,构建了无限大平面水平方向上三层环状周期性的超材料结构,采用TE极化方式,通过频域仿真计算得到S参数及反射率R。仿真材料4.7~18 GHz范围内电磁波吸收率均在90%以上,且在7.152 GHz处电磁吸收率接近100%。该样品周期性结构的外侧及上表面的电流密度较大,并且其电场分布与结构层间的电场响应也比较强烈,产生了近场耦合作用。基于制备材料的电磁参数进行了贴片天线器件的仿真计算,天线在8.55 GHz处的辐射效果较好,此时的增益最高。CST模拟计算可为多孔陶瓷基吸波材料的性能优化和应用提供有效的参考和指导。本文制备了吸波性能良好的多孔陶瓷负载SiCN的复合材料,并分析了其在不同频率下电磁波的损耗和吸收机理,为多孔陶瓷基复合吸波材料的实际应用提供了一定的实验依据和理论基础,在高温吸波材料领域具有广阔的应用前景。
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