南京航空航天大學陳照峰團隊ACS Sustainable Chem. Eng.: 三維碳/碳化硅泡沫吸波性能研究進展

【引言】

隨著電子設備和無線通訊設施的爆炸式增長，電磁污染日益嚴重，不僅影響了設備的日常運行，還對人類的生產活動帶來了危害。為了適應經濟建設和國防建設的需求，發展新型電磁吸波材料變得尤為重要。近年來，國內外學者基于碳材料優異的導電性能、介電損耗以及質輕等特點，開展了大量研究工作發現，將磁性材料與碳材料結合可以得到性能優異的吸波材料，比如Fe₃O₄/C核殼納米棒、Fe₃O₄/C核殼結構、Ni/C納米膠囊、Fe/C纖維、Fe₃O₄/碳納米管等。但是，磁性材料的鐵磁特性、不穩定性和高密度限制了吸波材料的進一步發展。

為此，國內外學者研究了硅基材料來增強碳材料的吸波特性，SiC材料由于其低密度、高熱穩定性、化學穩定性和機械高等性能得到了廣泛的青睞，聚吡咯@SiC納米復合材料，SiO₂包覆SiC/Co納米線，SiC摻雜納米材料，SiC微管、SiC納米線等硅基材料能在高溫苛刻條件下實現應用，打開了硅基材料在吸波領域的應用大門。

【成果簡介】

近日，南京航空航天大學陳照峰教授課題組在三維碳泡沫表面采用化學氣相沉積熱解碳涂層以改善表面結合位點，然后沉積超薄SiC薄膜，在實現碳泡沫力學強化的同時，顯著提高其抗氧化性能、壓縮性能和吸波性能，結果顯示復合材料在13.92GHZ頻率下反射率低至-37.189dB。該工作以“Enhanced Electromagnetic Absorption Properties of Novel 3D-CF/PyC Modified by Reticulated SiC Coating”為題，發表在ACS Sustainable Chemistry＆Engineering上。

【研究亮點】

1.以碳泡沫為基體骨架，實現三維反射結構，提高電磁波在內部的衰減吸收；

2.通過熱解碳涂層修復碳泡沫骨架表面缺陷和結合位點，促進SiC粒子沉積；

3. 調節SiC涂層厚度實現吸波性能可控，體現材料性能的可設計性。

【圖文導讀】

圖1 碳化硅涂層對復合材料抗氧化性和壓縮性能的增強

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a.700℃下材料質量殘留率87%以上b. 抗壓縮性能顯著提高

圖2 碳化硅涂層對復合材料吸波性能的改善

a 和?b. 碳泡沫基體反射率僅為-8.02dB，不滿足吸波材料要求

c 和?d. 碳化硅薄膜沉積9小時，最低反射率低至-23.435dB

e 和?f. 碳化硅薄膜沉積18小時，最低反射率低至-37.189dB

圖3 復合材料阻抗匹配和衰減系數以及吸波原理示意圖

a.SiC涂層顯著提高阻抗匹配系數，從而提高電磁波入射占比

b.SiC涂層在一定程度上降低材料對電磁波的衰減系數

c.電磁波在碳/碳化硅泡沫內部以及界面多次反射、衰減以及吸收

【小結】

本文報道了SiC薄膜沉積用于電磁吸波領域的研究，與純碳泡沫樣品相比，三維碳/碳泡沫的吸波性有明顯的提高，發射率由原來的-8.02dB降低到了-37.189dB，同時材料的抗氧化性能和抗壓縮性能也得到了大幅改善，700℃下質量殘留率由0%提高到了87%。更為重要的是，本文通過調節SiC薄膜厚度實現了材料的吸波性能調節，有助于后期的材料結構設計，為開發新型吸波材料體系提供了新的方法。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b01101

本文由南京航空航天大學陳照峰教授課題組編譯。

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