PDCs-SiC(N)陶瓷及其复合材料的电磁吸波特性及优化

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聚合物转化SiCN陶瓷(Polymer derived SiCN ceramics,PDCs-SiCN)、SiC陶瓷(PDCs-SiC)和以其为基体制备的陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、抗氧化、抗蠕变、高比强度和优异的电学性能等优点,是航空航天高温吸波材料重要的候选材料之一。国外对PDCs-SiC(N)(PDCs-SiC and PDCs-SiCN)陶瓷和陶瓷基复合材料的吸波性能进行了广泛的研究,但是公开研究报道很少。国内对PDCs-SiC(N)陶瓷和陶瓷基复合材料吸波性能的研究尚属起步阶段,目前所制备的陶瓷基复合材料具有吸波性能差、吸收频带窄等缺点,所制备复合材料对电磁波的反射率在8~18GHz全波段范围内不能够小于-10dB。优化设计PDCs陶瓷的微结构和复合材料的宏观结构是制备宽频吸波陶瓷基复合材料的主要途径。本文首先通过理论计算获得了宽频吸波材料反射率和介电常数的关系;在此基础上,采用聚氮硅烷和聚碳硅烷为先驱体,通过交联固化、裂解和高温热处理等工艺制备了PDCs-SiCN和PDCs-SiC陶瓷,并研究其本征电磁吸波性能;然后通过二茂铁改性聚碳硅烷制备了SiC/C陶瓷,提高了PDCs陶瓷的介电性能;最后采用层合板结构设计和制备了宽频吸波陶瓷基复合材料。本文主要研究结果和内容如下:(1)针对宽频吸波需求,理论计算了具有单层、双层和三层层合板结构吸波材料各层的最佳介电常数。计算结果表明:采用单层结构制备宽频吸波材料时,反射率对试样厚度和相对复介电常数的取值范围要求苛刻,因此,采用单层结构难以制备宽频吸波复合材料;采用双层和三层层合板结构时,满足反射率小于-10dB时各层的介电常数实部和虚部取值更为合理,且层合板结构材料必须由具有低介电常数以及低介电损耗的阻抗匹配层和具有中高介电常数以及中高介电损耗的损耗层组成。因此,相对于单层层合板结构,采用两层或者三层层合板结构更容易制备宽频吸波复合材料。(2)研究了PDCs-SiCN陶瓷微结构的演变规律以及其与电磁吸波性能的关系。研究结果表明:非晶态PDCs-SiCN陶瓷的相对复介电常数实部、虚部和损耗角正切值在10GHz分别小于4.5、0.25和0.06,表明非晶态SiCN陶瓷是优异的高温阻抗匹配层材料。晶化的SiCN陶瓷由SiC纳米晶粒、Si3N4、自由碳和部分非晶态的SiCN陶瓷组成。晶化后PDCs-SiCN陶瓷的相对复介电常数实部、虚部和损耗分别增加到14.3、7和0.49;试样的损耗以极化损耗为主;PDCs-SiCN陶瓷在X波段内有良好的微波吸收性能;1500oC处理后SiCN陶瓷的反射率最低值为-53dB,反射率小于-10dB的频带宽度为3.02GHz。(3)研究了PDCs-SiC陶瓷微结构的演变规律以及其与电磁吸波性能的关系。研究结果表明:PDCs-SiC陶瓷中形成SiC纳米晶粒和自由碳的网络结构是试样电导率和介电性能增加的主要原因。PDCs-SiC陶瓷的电导率、介电常数实部、虚部和损耗角正切值分别增加到1.4S/m、8.5、10.2和1.24;PDCs-SiC陶瓷的极化损耗大于电导损耗,其反射率在X波段内小于-8dB。(4)采用二茂铁对PCS进行改性并制备了SiC/C复相陶瓷,研究了SiC/C微结构的演变规律及其与电磁吸波性能的关系,制备了Al2O3f/SiC、Al2O3f/SiCN和Al2O3f/SiC-C复合材料,并研究了其电磁吸波性能。研究结果表明:改性后SiC/C陶瓷的电导率、介电常数实部、虚部和损耗角正切值分别增加到14.2S/m、41.9、38.7和0.92;因此,SiC/C陶瓷是优异的高温损耗层材料;试样中碳纳米线、洋葱和石墨烯等结构的自由碳是试样介电性能和损耗增加的主要原因;所制备的复合材料由于具有低介电常数和中高损耗,其在X波段范围内具有较好的吸波性能;(5)研究了ZMI-SiC和Amosic-SiC纤维的微结构以及其对复合材料电磁吸波性能的影响。设计和制备了双层结构和三层结构的层合板宽频吸波复合材料。研究结果表明:两种SiC纤维都是由SiC纳米晶粒和自由碳组成。Amosic-SiC纤维的晶化程度比ZMI-SiC纤维的晶化程度高,使得Amosic-SiC纤维的电导率比ZMI-SiC纤维的电导率高,导致Amosic-SiCf/SiCN复合材料比ZMI-SiCf/SiCN复合材料的介电常数和损耗高;Amosic-SiCf/SiCN和ZMI-SiCf/SiCN复合材料在13GHz的介电常数实部、虚部损耗角正切分别为17.5、29.4和1.68,10.8、6.3和0.58;因此,所制备的复合材料都是优异的高温吸波损耗层材料。ZMI-SiCf/SiCN和Amosic-SiCf/SiCN复合材料的抗弯强度和韧性分别为287MPa和10.2MPa·m1/2,155MPa和7.9MPa·m1/2,表现出良好的力学性能。ZMI-SiCf/SiCN复合材料的反射率在8~18GHz范围内小于-4dB。采用双层或三层层合板结构时,复合材料的反射率明显降低,吸波性能明显增加。通过优化可获得试样厚度为3mm反射率在8~18GHz范围内小于-10dB的复合材料,满足高温吸波材料“薄、轻、宽、强”的需求。
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