【摘 要】
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随着雷达探测技术的发展,隐身性能成为影响飞行器战场生存与突防能力的关键,雷达波吸收材料已成为世界各国的研究热点。SiC纳米线(SiCnw)具有耐高温和耐腐蚀等特点,是极具前景的新型吸波材料。然而,单一的SiCnw材料对电磁波的损耗能力不足,仍无法满足宽频和强吸收的性能要求。以多孔SiC陶瓷为支撑体,并在多孔骨架中原位自生SiCnw,能够促进电磁波在复合材料内的多重散射,是实现材料宽频和强吸收的有效
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随着雷达探测技术的发展,隐身性能成为影响飞行器战场生存与突防能力的关键,雷达波吸收材料已成为世界各国的研究热点。SiC纳米线(SiCnw)具有耐高温和耐腐蚀等特点,是极具前景的新型吸波材料。然而,单一的SiCnw材料对电磁波的损耗能力不足,仍无法满足宽频和强吸收的性能要求。以多孔SiC陶瓷为支撑体,并在多孔骨架中原位自生SiCnw,能够促进电磁波在复合材料内的多重散射,是实现材料宽频和强吸收的有效手段。多孔SiC的孔结构影响着原位自生SiCnw的显微结构,进而影响SiCnw/SiC多孔复合材料的吸波性能,然而目前相关研究报道较少,严重制约了SiCnw/SiC吸波材料的发展。本文通过优化凝胶注模和烧结工艺,制备出气孔率和孔径可控的多孔SiC陶瓷,在此基础上制备出SiCnw/SiC多孔复合材料,系统研究了多孔SiC陶瓷的孔径和气孔率等对SiCnw/SiC多孔复合材料组织及介电性能的影响规律及机理,并优化了复合材料的吸波性能。为实现高气孔率SiC预制体的制备,发明了乙二醇-乙醇基凝胶注模成型工艺,解决了传统有机凝胶注模坯体强度过低的问题。研究了溶剂种类对聚丙烯酰胺/N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(PAM/MBAM)凝胶聚合机制、组织及力学性能的影响。结果表明,AM/MBAM在乙醇和叔丁醇中的反应为沉淀聚合,产物聚合度低,压缩强度仅为3.2MPa;而AM/MBAM在乙二醇中的反应为溶液聚合,产物聚合度高,压缩强度高达12.8MPa。以纯乙二醇为溶剂,干燥过程中坯体内的凝胶易发生塑性形变而阻塞气孔,导致坯体开裂,在溶剂中引入40~60vol%的乙醇可降低凝胶塑性,解决上述问题。固相含量15vol%的乙二醇-乙醇基SiC坯体的压缩强度高达11.4MPa,是传统有机凝胶坯体的三倍以上。研究了烧结助剂(YAG)含量及烧结温度对多孔SiC陶瓷组织及性能的影响。结果表明:多孔SiC陶瓷的最佳烧结温度为1800℃、YAG用量为5wt%,此时多孔SiC陶瓷既能获得较高的力学性能,又能防止因过高的烧结收缩造成的气孔率大幅下降。在此基础上,通过改变浆料固相含量(10~35vol%),实现了多孔SiC陶瓷的气孔率从58.5%至76.2%间的调节;通过选取不同初始粒径的SiC粉体(1.03~35.50μm),制备出平均孔径1.05至30.42μm的多孔SiC陶瓷。以多孔SiC陶瓷为预制体,利用V-L-S机制原位生成SiCnw,构建出SiCnw-SiC二元结构。揭示了预制体孔径和气孔率对SiCnw含量及微观结构的影响规律。结果表明,增加预制体的气孔率有利于SiCnw的生成;过大或过小的预制体孔径均不利于SiCnw的生成。孔径过大(>30μm)易造成反应物Si O和CO的逸出,孔径过小(<1μm)则会抑制Si O和CO的气相传质。SiCnw的形貌与预制体的孔径密切相关。预制体的平均孔径为30μm时,生成的SiCnw由大量直线型和少量曲线型组成。随着预制体孔径的降低,SiCnw逐渐由直线型转变为曲线型。阐明了SiCnw的微观结构对SiCnw/SiC多孔复合材料吸波性能的影响规律及机理。研究结果表明,曲线型SiCnw具有更高的堆垛层错密度和比表面积,可增加材料的偶极子极化和界面极化,进而提高其复合材料的吸波性能。当预制体平均孔径为2.18μm、气孔率为74.6%时,可生成高含量的曲线型SiCnw,相应的复合材料具有良好的吸波性能,最低反射率为-49.4d B(7.5GHz,厚度2.9mm),最大有效吸收带宽为6.2GHz(8.4~14.6GHz,厚度2.3mm)。为了进一步提高复合材料同自由空间的阻抗匹配,优化吸波性能,在预制体中引入Si3N4,以制备SiC-Si3N4-SiCnw多孔复合材料。揭示了预制体的Si3N4含量对SiC-Si3N4-SiCnw多孔复合材料组织及吸波性能的影响规律及机理。结果表明,预制体Si3N4含量的增加可有效降低复合材料的介电常数实部,从而提高其阻抗匹配性。然而,过高的Si3N4含量(≥30wt%)大幅降低了预制体孔径,抑制了SiCnw的生成,导致复合材料的衰减系数过低。采用Si3N4含量为20wt%的多孔预制体,可在保持复合材料高衰减系数的同时提高其阻抗匹配率,从而提高其宽频吸波性能,相应复合材料的最大有效吸收带宽为7.7GHz(9.4~17.1GHz,厚度2.4mm)。
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