SiCN陶瓷气凝胶/莫来石隔热瓦复合材料的多功能性研究

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随着无线通信技术和雷达探测技术的飞速发展,电磁干扰、电磁污染和电磁信息泄露等问题日益凸显。因此,研究出一种高性能的电磁波吸收材料对民用和军用领域都具有重大的意义。SiCN先驱体陶瓷气凝胶不仅拥有SiCN先驱体陶瓷的化学成分可设计和电/介电性能易调控的优点,还拥有气凝胶密度低、比表面积高和孔隙率高的优点,具有优异的吸波性能。然而,SiCN先驱体陶瓷气凝胶具有结构疏松、脆性大、力学性能差、抗氧化性差及功能单一等缺点,应用范围大大受限。本文创新性地用SiCN先驱体陶瓷气凝胶浸渍莫来石(Mullite)隔热瓦,利用莫来石隔热瓦优异的力学性能解决SiCN先驱体陶瓷气凝胶的脆性问题;同时,在此基础上引入热稳定性与抗氧化性好的SiO2气凝胶形成嵌套气凝胶复合材料解决SiCN先驱体陶瓷气凝胶的热稳定性和抗氧化性差的问题。主要研究内容包括以下三个方面:(1)SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料的制备与微观结构表征:结合高压浸渍、溶胶-凝胶法、聚合物先驱体转化法和冷冻干燥技术,成功制备了SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料。并通过改变浸渍次数、二乙烯基苯(DVB)与聚硅氮烷(PSN)中C=C与Si-H之间的摩尔比和热解温度等参数实现了对SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料的成分和微观结构的调控。随着浸渍次数不断增加,游离碳的无序度增加,复合材料的平均孔径呈现整体减小的趋势。随着C=C/Si-H摩尔比的增加SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料的游离碳的有序度减小,石墨化程度降低,孔径逐渐减小。随着热解温度的升高,SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料游离碳的有序度逐渐增加,石墨化程度升高。(2)SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料的多功能性研究:研究了浸渍次数、DVB与PSN中C=C与Si-H之间的摩尔比和热解温度对SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料的吸波、隔热、力学性能的影响。随着浸渍次数的增加,SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料的吸波性能逐渐减弱,热导率虽逐渐增加但仍保持在较低的范围内(由0.077 W·m-1·K-1增加到0.115 W·m-1·K-1),压缩强度逐渐增加(由2.17 MPa增加到5.17 MPa)。当浸渍次数为1次时,复合材料的最小反射损耗(RL)值为-47.73d B,有效吸波频带宽为9.6 GHz。当C=C/Si-H摩尔比为1.25:1和1.5:1时,复合材料的最小RL值和有效吸波频带宽分别为-47.73 d B和-49.66 d B以及9.6 GHz和7.52 GHz,并且具有优异的隔热性能和力学性能。当热解温度为1000°C和1100°C时,复合材料的最小RL值分别为-47.73 d B和-35.97 d B,有效吸波频带宽分别为9.6 GHz和8.08 GHz,具有优异的吸波、隔热和力学性能,实现了多功能化。(3)SiCNa/Mullite/SiO2嵌套气凝胶的制备与多功能性研究:以正硅酸乙酯(TEOS)为先驱体,利用高压浸渍将SiO2溶胶引入到SiCNa/Mullite隔热瓦复合材料中,再利用溶胶凝胶及常压干燥法获得SiCNa/Mullite/SiO2嵌套气凝胶。对比SiCNa/Mullite-1((1)中所制备的)与SiCNa/Mullite/SiO2的微观结构、吸波、热学和力学性能发现二者的最小RL值和有效吸波频带宽分别为-47.73 d B和-26.90 d B以及9.6 GHz和9.68 GHz。相较于SiCNa/Mullite-1,SiCNa/Mullite/SiO2的吸波性能虽然有所下降,但具有更加优异的热稳定性和抗氧化性以及力学性能(压缩强度由2.36 MPa增加到3.16 MPa),表明引入SiO2气凝胶的方法对SiCNa/Mullite-1起到了有效的保护和增强作用,实现了吸波/隔热/承载结构-功能一体化。
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