PDCs-SiC(N)陶瓷及其復合材料的電磁吸波特性及優(yōu)化.pdf

1、聚合物轉化 SiCN陶瓷(Polymer derived SiCN ceramics，PDCs-SiCN)、SiC陶瓷(PDCs-SiC)和以其為基體制備的陶瓷基復合材料具有低密度、耐高溫、抗氧化、抗蠕變、高比強度和優(yōu)異的電學性能等優(yōu)點，是航空航天高溫吸波材料重要的候選材料之一。國外對PDCs-SiC(N)(PDCs-SiC and PDCs-SiCN)陶瓷和陶瓷基復合材料的吸波性能進行了廣泛的研究，但是公開研究報道很少。國內(nèi)對PDCs

2、-SiC(N)陶瓷和陶瓷基復合材料吸波性能的研究尚屬起步階段，目前所制備的陶瓷基復合材料具有吸波性能差、吸收頻帶窄等缺點，所制備復合材料對電磁波的反射率在8~18GHz全波段范圍內(nèi)不能夠小于-10dB。優(yōu)化設計PDCs陶瓷的微結構和復合材料的宏觀結構是制備寬頻吸波陶瓷基復合材料的主要途徑。
　　本文首先通過理論計算獲得了寬頻吸波材料反射率和介電常數(shù)的關系；在此基礎上，采用聚氮硅烷和聚碳硅烷為先驅體，通過交聯(lián)固化、裂解和高溫熱處理等

3、工藝制備了PDCs-SiCN和PDCs-SiC陶瓷，并研究其本征電磁吸波性能；然后通過二茂鐵改性聚碳硅烷制備了SiC/C陶瓷，提高了PDCs陶瓷的介電性能；最后采用層合板結構設計和制備了寬頻吸波陶瓷基復合材料。本文主要研究結果和內(nèi)容如下：
　　(1)針對寬頻吸波需求，理論計算了具有單層、雙層和三層層合板結構吸波材料各層的最佳介電常數(shù)。計算結果表明：采用單層結構制備寬頻吸波材料時，反射率對試樣厚度和相對復介電常數(shù)的取值范圍要求苛刻，

4、因此，采用單層結構難以制備寬頻吸波復合材料；采用雙層和三層層合板結構時，滿足反射率小于-10dB時各層的介電常數(shù)實部和虛部取值更為合理，且層合板結構材料必須由具有低介電常數(shù)以及低介電損耗的阻抗匹配層和具有中高介電常數(shù)以及中高介電損耗的損耗層組成。因此，相對于單層層合板結構，采用兩層或者三層層合板結構更容易制備寬頻吸波復合材料。
　　(2)研究了PDCs-SiCN陶瓷微結構的演變規(guī)律以及其與電磁吸波性能的關系。研究結果表明：非晶態(tài)

5、PDCs-SiCN陶瓷的相對復介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切值在10GHz分別小于4.5、0.25和0.06，表明非晶態(tài)SiCN陶瓷是優(yōu)異的高溫阻抗匹配層材料。晶化的SiCN陶瓷由SiC納米晶粒、Si3N4、自由碳和部分非晶態(tài)的SiCN陶瓷組成。晶化后PDCs-SiCN陶瓷的相對復介電常數(shù)實部、虛部和損耗分別增加到14.3、7和0.49；試樣的損耗以極化損耗為主；PDCs-SiCN陶瓷在X波段內(nèi)有良好的微波吸收性能；1500℃處理后 S

6、iCN陶瓷的反射率最低值為-53dB，反射率小于-10dB的頻帶寬度為3.02GHz。
　　(3)研究了PDCs-SiC陶瓷微結構的演變規(guī)律以及其與電磁吸波性能的關系。研究結果表明：PDCs-SiC陶瓷中形成 SiC納米晶粒和自由碳的網(wǎng)絡結構是試樣電導率和介電性能增加的主要原因。PDCs-SiC陶瓷的電導率、介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切值分別增加到1.4S/m、8.5、10.2和1.24；PDCs-SiC陶瓷的極化損耗大于電導損

7、耗，其反射率在X波段內(nèi)小于-8dB。
　　(4)采用二茂鐵對PCS進行改性并制備了SiC/C復相陶瓷，研究了SiC/C微結構的演變規(guī)律及其與電磁吸波性能的關系，制備了Al2O3f/SiC、Al2O3f/SiCN和Al2O3f/SiC-C復合材料，并研究了其電磁吸波性能。研究結果表明：改性后SiC/C陶瓷的電導率、介電常數(shù)實部、虛部和損耗角正切值分別增加到14.2S/m、41.9、38.7和0.92；因此，SiC/C陶瓷是優(yōu)異的高溫

8、損耗層材料；試樣中碳納米線、洋蔥和石墨烯等結構的自由碳是試樣介電性能和損耗增加的主要原因；所制備的復合材料由于具有低介電常數(shù)和中高損耗，其在X波段范圍內(nèi)具有較好的吸波性能；
　　(5)研究了ZMI-SiC和Amosic-SiC纖維的微結構以及其對復合材料電磁吸波性能的影響。設計和制備了雙層結構和三層結構的層合板寬頻吸波復合材料。研究結果表明：兩種 SiC纖維都是由 SiC納米晶粒和自由碳組成。Amosic-SiC纖維的晶化程度比Z

9、MI-SiC纖維的晶化程度高，使得Amosic-SiC纖維的電導率比ZMI-SiC纖維的電導率高，導致Amosic-SiCf/SiCN復合材料比ZMI-SiCf/SiCN復合材料的介電常數(shù)和損耗高；Amosic-SiCf/SiCN和ZMI-SiCf/SiCN復合材料在13GHz的介電常數(shù)實部、虛部損耗角正切分別為17.5、29.4和1.68，10.8、6.3和0.58；因此，所制備的復合材料都是優(yōu)異的高溫吸波損耗層材料。ZMI-SiCf

10、/SiCN和Amosic-SiCf/SiCN復合材料的抗彎強度和韌性分別為287MPa和10.2MPa·m1/2，155MPa和7.9 MPa·m1/2，表現(xiàn)出良好的力學性能。
　　ZMI-SiCf/SiCN復合材料的反射率在8~18GHz范圍內(nèi)小于-4dB。采用雙層或三層層合板結構時，復合材料的反射率明顯降低，吸波性能明顯增加。通過優(yōu)化可獲得試樣厚度為3mm反射率在8~18GHz范圍內(nèi)小于-10dB的復合材料，滿足高溫吸波材料“