哈工大《Carbon》：一種新策略，實現耐高溫電磁波吸收材料

2020-09-15 科轉雲

隨著電子設備日益普及，電磁汙染日益增多，這不僅影響電子器件的正常使用，也對人們的生命健康造成威脅。具有高性能微波衰減功能的電磁吸收材料可以通過電磁波衰減保護我們的生命免受射頻輻射的侵害。然而，影響先進的電磁衰減材料的開發和應用的關鍵問題是在高溫下吸收電磁波的性能降低。


近日，哈爾濱工業大學Zhijiang Wang課題組研究人員通過在多孔SiC骨架中構造SiC納米線網絡，成功製造了具有多個界面的碳納米管（CNT）衍生的二元多孔SiC。二次SiC納米線的數量和所接收的二元SiC的電子結構通過不同的加熱溫度而改變。CNT衍生的SiC納米線和SiC骨架的協同作用改善了多個界面的形成和傳播路徑。這些增強的介電性能可以誘導所製造的二元多孔SiC的高溫EM波吸收性能。例如，最小反射損耗（RLmin在9.3-12.4 GHz頻率範圍內，厚度為1.8 mm時達到−47.0 dB。當溫度升至600 °C時，最佳RL在8.6 GHz時可達到−51.0 dB。同時，構造SiC納米線網絡大大提高了抗壓強度。CNT衍生的二元SiC的這種多功能性表明它們是優異的吸波材料，在高溫下的EM波吸收中具有潛在的應用前景。這項研究工作以「Efficient high-temperature electromagnetic wave absorption enabled by structuring binary porous SiC with multiple interfaces」為題發表在國際著名期刊《Carbon》上。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320308186

介電-磁複合材料在室溫下具有出色的性能，但是磁性材料的固有局限性（在居裡溫度範圍內失去了磁性）限制了它們在高溫條件下的應用。介電型電磁波吸收材料是通過與電場相互作用來衰減EM波來確定的。一些介電吸波材料具有對高溫的抗氧化性，其在高溫環境中具有潛在的應用。因此，必須開發可以在高溫下長時間使用的EM吸收材料。


與碳泡沫，石墨烯和MWCNT相比，基於SiC的材料由於其化學穩定性，高溫和耐腐蝕性的優點而受到廣泛關注。此外，作為武器和裝備的結構部件，重量輕是電磁吸收器必不可少的因素。引入多孔SiC結構可以減輕設備的重量。結構和功能的集成是通過具有結構承載力的合理設計實現的。根據以前的研究，介電吸波能力主要取決於相對復介電常數，可以通過微觀結構和形態來確定。根據Debye方程，極化和電導率損耗會引起介電常數虛部隨溫度增加的溫度相關效應。減少的弛豫時間和增加的電導率歸因於溫度升高。


界面極化損耗與溫度的關係可以補償電導率損耗的增加，從而削弱介電常數隨溫度的升高。在微觀尺度上引入多個界面以增強界面極化將是一種有效的方式來調節介電常數隨溫度的變化，可以通過SiC骨架中的第二個SiC相實現多個界面。然而，關於通過無催化劑方法製備具有非磁性組分的二元多孔SiC的研究還很少。納米相材料表面上帶有懸空鍵的大量原子導致界面極化和顆粒活性增大，並具有多重散射，這對於優化高溫EM吸收非常重要。其他研究已成功地由多壁CNT和矽之間的反應開發出SiC納米線。因此，通過碳納米管和孔結構內的矽源的原位反應構建SiC納米線是可能的。


圖1 材料製備過程示意圖


圖2 XRD、SEM表徵


圖3 電磁參數


圖4 吸波性能表徵

圖5 吸波機理分析示意圖


綜上所述，作者提出了一種新穎的策略，即通過碳熱還原法在多孔SiC骨架中通過CNT衍生的SiC納米線網絡製備二元多孔SiC。考慮到多孔結構和納米線的協同結構效應，所獲得的二元SiC樣品在高溫EM波吸收方面表現出卓越的性能。可以通過改變製備溫度來調節獲得的二次SiC納米線的數量。在25 °C時，最小RL在9.3 GHz至12.4 GHz範圍內可以達到−47.0 dB，匹配厚度為1.8 mm。隨著溫度升高到600 °C，最小RL值進一步增加到-51.0 dB。

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