聚合物转化SiOC陶瓷的微结构设计及电磁性能优化

来源 :西北工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zyr2007
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聚合物转化SiOC陶瓷(Polymer derived SiOC ceramics,简写为PDCs-SiOC)具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、力学和介电性能可设计性等优点,是一种潜在高温结构和功能应用材料。无定形PDCs-SiOC陶瓷的电导率通常介于半导体(如碳化硅)与绝缘体(如氮化硅)之间,其介电常数偏低,导致吸波性能较差、有效吸收带宽较窄。因此,需从PDCs-SiOC陶瓷微结构和相组成出发,通过改性设计实现微结构调控,从而达到PDCs-SiOC陶瓷的宽频吸收。迄今为止,尚未见到物理改性(加入惰性/活性填料)/化学改性(改变PSO分子链的化学组成)先驱体法制备吸波型PDCs-SiOC陶瓷的相关报道。吸波材料通常由透波基体A相和损耗B相组成(A/B型)。采用PDCs法可引入中等损耗的C相(A/B/C型),获得的吸波材料具有更好的结构和性能可设计性。本文首先通过理论计算获得宽频吸收时所需的电磁参数目标值;在此基础上,采用物理改性先驱体和化学改性先驱体两种方法调控SiOC陶瓷中吸波剂含量和晶化程度,获得性能优异的A/B型和A/B/C型吸波材料。本文主要研究内容和结果如下:(1)以金属背板模型为基础计算材料介电常数与反射率的关系,获得材料在不同厚度下实现最优吸收和宽频吸收时所需的电磁参数目标值,该目标值为吸波材料介电常数和微结构的设计提供思路。研究结果表明:当材料厚度为2mm和3mm时,需频散效应才能获得较宽的EAB,当厚度为4mm和4.5mm,介电常数分别满足ε′=3.8,ε″=2.65-3.15和ε′=3.4,ε″=1.85-2.35时,其EAB可达4.2GHz;同时设计A/B型和A/B/C型吸波材料的微结构,研究其对电磁波的损耗机理,在此基础上,设计A/B型和A/B/C型SiOC陶瓷的微结构。(2)研究吸波剂含量对SiC/Si3N4和SiOC/Si3N4陶瓷吸波性能的影响规律。研究结果表明:SiC/Si3N4的介电常数随SiC纳米线含量增加而提高,原因在于SiC纳米线为自由电荷移动提供通道,可提高陶瓷的极化能力和电导率;所制备的SiC/Si3N4陶瓷为A/B型吸波材料,当SiC含量为10.5wt.%、样品厚度在2.3mm时,SiC/Si3N4复相陶瓷的反射系数达到为-57dB;所制备的SiOC/Si3N4陶瓷含有SiC纳米线和自由碳两种吸波剂,该陶瓷在低吸波剂含量下为吸波材料,在高吸波剂含量下转变为吸波型电磁屏蔽材料;作为增强相SiC纳米线可显著提高SiOC/Si3N4陶瓷的力学性能。(3)采用物理改性先驱体法制备CNTs/SiC/SiOC和C/n-SiC/SiOC两种复相陶瓷,构成A/B/C型吸波材料。研究结果表明:引入CNTs促使陶瓷中出现高自由能位错和界面,降低吉布斯自由能,促使SiC纳米晶在低温析出;CNTs/SiC/SiOC陶瓷中原位自生的SiC纳米线作为连接相将CNTs连接,形成独特导电网络结构,提高CNTs/SiC/SiOC陶瓷的吸波性能;引入n-SiC促进C/n-SiC/SiOC陶瓷在低温下原位自生出SiC纳米晶(平均粒径小于10nm)和碳纳米晶;在电磁波作用下C/n-SiC/SiOC陶瓷中粒径具有梯度的SiC(B相)和碳(A相)可产生偶极子极化,n-SiC、原位生成的SiC纳米晶、碳纳米晶和非晶SiOC相之间的界面均可产生界面散射,偶极子极化和界面散射可显著提高该材料的吸波性能。(4)采用钛酸四丁酯改性PSO先驱体制备TiC/SiC/SiOC陶瓷,研究热处理温度和先驱体中Ti含量对TiC/SiC/SiOC陶瓷微结构和相成分的影响,并揭示其对陶瓷的电磁波吸收性能的影响机制。研究结果表明:引入Ti能起到催化和异质界面的作用,降低SiC析晶的吉布斯自由能,促进SiC在低温析晶;Ti与陶瓷中的C反应生成TiC,TiC含量随Ti含量增加而提高,SiC含量随之降低;Ti含量为7wt%时,更多TiC纳米晶的生成提高了其损耗能力,TiC/SiC/SiOC陶瓷的介电常数在目标电磁参数范围内,其有效吸收带宽为4.2GHz,吸波性能优异。(5)采用化学改性PSO法制备新型SiOC陶瓷的先驱体超支化聚硅氧烷(HBPSO-VF),研究该改性方法对C/SiC/SiOC陶瓷微结构和吸波性能的影响。研究结果表明:将Fe原子引入PSO先驱体的分子主链中可大幅度提高其陶瓷产率,同时HBPSO-VF的析晶温度由1450℃降至1100℃;经1100℃热处理后,获得的SiOC陶瓷具有优异的吸波性能,其最小反射系数可达-46dB。
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