【摘 要】
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随着5G通讯、超高频雷达探测、精确制导等技术的发展,电磁波吸收材料在国防隐身、抗电磁干扰等领域面临着迫切需求。为满足严苛应用条件（如极端高温环境等）对吸波材料的要求,吸波材料除了具有“薄、轻、宽、强”的性能特点外,也应具有优异的耐高温性能。传统的磁性吸波材料受限于耐高温和耐腐蚀性差、密度大等缺点,难以长期服役于高温环境。针对此问题,本文以SiC材料体系为研究对象,从多孔材料微结构的设计与调控出发,
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随着5G通讯、超高频雷达探测、精确制导等技术的发展,电磁波吸收材料在国防隐身、抗电磁干扰等领域面临着迫切需求。为满足严苛应用条件（如极端高温环境等）对吸波材料的要求,吸波材料除了具有“薄、轻、宽、强”的性能特点外,也应具有优异的耐高温性能。传统的磁性吸波材料受限于耐高温和耐腐蚀性差、密度大等缺点,难以长期服役于高温环境。针对此问题,本文以SiC材料体系为研究对象,从多孔材料微结构的设计与调控出发,分别采用生物质模板法、造孔法/原位生长、冷冻铸造等方法,制备了具有不同微观结构的SiC多孔材料,研究了多孔材料微结构对材料常温、高温下电磁参数和吸波性能的影响。主要研究内容如下:首先,基于生物质模板具有特殊孔道结构及易于引入大量晶体缺陷的特点第一部分选择植物纤维素抄造的纸浆板和细菌纤维素为初始模板。生物质模板经碳化、碳热还原反应后制备出具有生物遗态形貌的SiC多孔材料,并且在其内部引入SiC晶体缺陷。根据反应前后形貌变化和反应热力学,结合实验验证生物质模板法制备的SiC多孔材料中不同形貌SiC的生长机制。1600°C下制备的植物纤维素衍生的SiC多孔材料在厚度为2.2 mm时最佳反射损耗值为-22d B,有效吸收频率覆盖12.8 GHz～18 GHz,在X波段内厚度为3.1 mm时能够覆盖9.7 GHz～12.4 GHz的有效吸收频带。1500℃下制备的细菌纤维素衍生的SiC多孔材料在样品厚度为2.1 mm时,最佳反射损耗为-23.5 d B,有效吸收频段可集中在11 GHz～18 GHz的高频频段,在X波段内厚度为3.2 mm时可以达到8.2 GHz～12 GHz的宽频有效吸收。采用不同生物质模板可以通过改变反应温度调控生成的第二种形貌SiC纳米线和晶体内部的缺陷数量,从而诱发差异化的介电常数产生不同的电磁波吸收性能。为进一步提升多孔SiC材料在X波段的高温吸波性能,基于生物质模板法中引入SiC纳米线可增强吸波性能的研究思路,在SiC多孔骨架内部进行微结构设计,实现具有微-纳分级微观形貌的SiC多孔结构的制备。得益于不同微观结构SiC之间形成的多重界面,多孔SiC在X波段具有优异的常温以及高温吸波性能。采用碳纳米管衍生法,在固定厚度下可以实现从常温至600°C,8.2GHz～11 GHz频段内温变环境下的宽频有效吸收,当测试温度提升至600°C时,最低反射损耗在9.8 GHz处可达-34 dB。采用引入催化剂原位自生法,在固定厚度2.4 mm下可以实现从常温至600°C,10.2 GHz～12.4 GHz频段内温变环境下的宽频有效吸收,当测试温度提升至600°C时,在12.1 GHz处的最佳反射损耗值为-51 dB。此外,引入分级微观形貌有利于多孔SiC力学性能的提升,抗弯强度提升近15倍。这种构建具有分级微观形貌得SiC多孔结构的方法为制备轻质多功能吸波材料提供了借鉴。为进一步实现轻质化SiC吸波材料的制备,以低维度材料通过宏观组装的形式构建多孔结构实现其X波段常温、高温下吸波性能的研究。本文以SiC纳米线与氧化石墨烯（GO）作为材料基元,采用冷冻铸造的方法制备了具有定向微结构的SiC@GO气凝胶,后通过碳热还原法将氧化石墨烯制备成SiC,实现制备具有定向结构的SiC气凝胶,其密度仅为0.2 g·cm-3。冷冻铸造方法诱导SiC气凝胶的定向结构引起其介电性能的各向异性,电磁波平行于SiC气凝胶的定向结构入射的介电常数大于垂直入射。平行入射时SiC气凝胶的吸波性能最佳,在常温下,样品厚度为3.2 mm时,最佳反射损耗可达-58 dB。在400℃下,在厚度为2.8 mm时最佳反射损耗接近-64 dB。从常温至400℃的测试中,在3.3mm的固定厚度下能够实现整个X波段的全频段变温有效吸收。此外,导热性能在不同方向上同样呈现各向异性,最低导热系数仅为0.049 W·m-1·K-1。这种通过调控纳米材料定向组装的微结构设计实现了吸波性能的调节,为轻质、耐高温吸波材料提供了新的制备策略。
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