MAX相陶瓷及其与SiC复合材料的微波吸收与屏蔽性能研究

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随着电磁波技术的应用和发展,人类生存空间的电磁环境日益恶化。微波吸收与屏蔽材料对避免电磁干扰、保护人员安全、提高设备可靠性、确保网络系统的安全畅通有重要意义。新型的三元层状过渡金属碳/氮化合物MAX相由于其独特的层状结构和键合特点使其兼具金属与陶瓷的优异性能,如较高的强度和模量,良好的导热与导电性、抗氧化、耐腐蚀、化学稳定性,以及可加工性等。作为一种新型的微波吸收与屏蔽材料有广阔的应用前景,并且已经受到关注。已开展的工作主要针对其中的Ti3SiC2,对于其他MAX相材料吸波与屏蔽性能的探索较为匮乏,且研究工作主要围绕Ti3SiC2粉体吸收剂及其复合材料块体展开,尚未从材料结构角度进行设计,对于阻抗匹配和吸波性能的提高非常有限。本论文首先以四元有序MAX相(Cr2/3Ti1/3)3AlC2作为研究对象,探索了不同形态MAX相的电磁特性并对粉末粒径与样品厚度对MAX粉体和石蜡混合样品的介电与吸波性能的影响进行了系统研究。随后,选择了更耐高温且介电性能更好的SiC取代石蜡,采用原位热压烧结法制备Ti3SiC2/SiC复合材料以避免SiC中的Si与MAX相中的“A”元素的互扩散,并进一步研究了 SiC含量对块体MAX/SiC复合材料电磁性能的影响。为了使复合材料同时具备优异的吸波和屏蔽性能,对MAX/SiC复合材料进行多孔结构设计;同时为了避免MAX粉体在高温下发生氧化,选择抗氧化性更好的Ti3AlC2作为研究对象。采用模板法制备了高孔隙率的多孔Ti3AlC2/SiC复合材料,研究了多孔Ti3AlC2/SiC复合材料的介电、吸波与屏蔽性能。并在此基础上设计并制备了梯度多孔Ti3AlC2/SiC复合材料,解决其电磁性能的可调控性较差的问题。本论文的主要结论如下:(Cr2/3Ti1/3)3AlC2致密块体呈电磁屏蔽特性,而其粉末与石蜡的混合样品的电磁特性可通过调节(Cr2/3Ti1/3)3AlC2的质量分数进行调控。当(Cr2/3Ti1/3)3AlC2粉末与石蜡的质量比为1:1时,样品呈透波特性。提高(Cr2/3Ti1/3)2AlC2粉末与石蜡的质量比至2:1时,样品具备一定的吸波性能。且样品中(Cr2/3Ti1/3)3AlC2粉末含量一定时,随着其平均粒径逐渐减小,导电网络逐渐密集,对电磁波的损耗与吸收增强;当粉末粒径过小,导电网格中嵌入的细小粉末使电磁波的反射增强,阻抗匹配变差,吸波性能减弱。以Ti/Si/C作为初始反应物在1500℃下烧结制备了 SiC含量不同的Ti3SiC2/SiC复合材料。在该合成条件下,TiC杂质相含量最少。结果表明,随着复合材料中SiC含量逐步增加,复合材料的密度降低,孔隙率增加,电导率降低,电磁屏蔽性能提高。虽然复合材料增加的电磁屏蔽效能主要来自于吸收屏蔽,但由于复合材料中Ti3SiC2的含量远远高于逾渗阈值,复合材料的电导率依然处于较高水平,材料的阻抗匹配较差,仍不具备吸波性能,反射屏蔽为主要电磁屏蔽机制。采用模板浸渍与热解烧结法制备了多孔Ti3AlC2/SiC复合材料。与致密块体相比,多孔结构设计极大地降低了Ti3AlC2的复介电常数,但多孔Ti3AlC2的吸波性能仍较差。引入SiC后会进一步降低多孔材料的复介电常数,提高阻抗匹配,减少电磁波的反射,从而大幅提高多孔Ti3AlC2/SiC复合材料的吸波性能。同时,添加SiC对多孔复合材料的电磁屏蔽性能有显著影响。引入SiC可以极大地降低材料的反射屏蔽,从而使得更多电磁波能够进入材料内部,同时多孔结构保证了材料内部电磁波的损耗,减少了透射波,最终使多孔Ti3AlC2/SiC复合材料同时具备优异的吸波和屏蔽性能。通过逐层浸渍-热解烧结法制备了骨架成分梯度变化的多孔Ti3AlC2/SiC复合材料。与单一成分的多孔复合材料相比,成分梯度变化的多孔骨架并未带来吸波和屏蔽性能的显著提升,这是由于多孔骨架内层中Ti3AlC2含量过高,增加了多孔复合材料的复介电常数和反射屏蔽效能。该方法能够通过浆料成分和挂料厚度来调控多孔梯度复合材料的介电性能,为设计制备满足不同微波吸收/屏蔽性能需求的多孔材料提供了新思路。
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