SiC包覆碳“核-壳结构”纳米纤维的高温宽频吸波调控机理

In response to the fast development of new generation stealth structures/materials that require high temperature resistance, broadband and tunable electromagnetic (EM) absorption, we propose to develop functional SiC-C core-shell ceramic nanofiber composites, which possess unique tunability on EM absorption, are extremely resistant to high temperature. The SiC-C core-shell nanofibers, with highly conductive carbon as the core and SiC as the shell, will be fabricated through electrospinning and polymer-derived-ceramic methods. The controllable fabrication processes, EM absorption design & properties, and the nanoscale absorption mechanisms will be systematically studied . It is aimed to solve 1) nano dimension effects on flexibility and EM properties influence to the SiC-C nano-fiber, 2) the effects of nano carbon doped and constructed multiple dimension boundaries on strengthening toughness and mechanism of the EM absorption for the SiC-C nano-fiber, 3) tuning mechanisms of multiband and broadband absorption, and 4) mechanism of the EM absorption at high temperatures. The successful implementation of this project will develop a new ceramic nanofiber with resistance to oxidation and temperature, super flexibility, multifunctional design and fabrication to be possible.

本项目围绕新一代隐身技术对耐高温、可调控宽频吸波材料的迫切需求，展开碳化硅(SiC)陶瓷纤维及其复合材料的研究。针对碳化硅陶瓷材料在低频段隐身难、吸波频带过窄等问题，最大限度地结合纳米碳材料在电磁调控方面的设计优势以及陶瓷耐高温抗氧化的特点，提出构筑SiC陶瓷包覆纳米碳芯的“核壳结构”纳米纤维，系统研究静电纺丝“核壳结构”SiC-C纳米纤维的吸波功能设计、可控制备、以及电磁波吸收调控机制等。重点解决1) 纳米化尺寸效应对SiC-C纳米纤维电磁特性的影响规律，2) 纳米碳掺杂构筑的多组元界面效应对纳米纤维强韧化和吸波机理的作用机制，3) 多频段、宽频化电磁调控机制，以及4) 高温吸波机理等关键科学问题。该项目的实施将为新型耐高温、可调控频段、宽频化吸波材料的多重功能设计与制备鉴定基础。

随着多频带，宽带，大功率电子设备和其他信息技术的飞速发展，电磁波污染对人们的身体健康和日常生活造成了极大的影响。同时，在航空航天领域，各种高科技军事装备的发展和苛刻的服役环境对有效吸波材料提出了极高的要求。为了避免电磁污染对人体健康和仪器设备的损伤，满足服役于极端环境的高性能吸波设备的要求，开发柔性耐弯折，宽频段，强吸收，低密度的电磁吸波材料至关重要。.本项目采用静电纺丝工艺制备了高柔性、强吸收的基于碳-碳化硅 (C-SiC) 纤维吸波材料，通过引入SiC纳米颗粒 (SiCnp)，研究电导损耗、纤维毡与自由空间之间的阻抗匹配、界面极化及相关弛豫对其吸波性能的影响；通过引入磁性元素Fe，研究磁损耗对其吸波性能的影响；通过设计Fe/C-SiC纤维毡的宏观周期结构，并结合电磁仿真技术，研究周期结构参数对其吸波性能的影响，主要研究内容及结果如下：.1) 通过静电纺丝法制备了SiCnp修饰的柔性碳纤维毡，其具有轻质的特点及优异的耐弯折性。SiCnp的引入有效地提高了纤维毡与自由空间之间的阻抗匹配，有利于电磁波进入材料内部，充分利用C-SiC纤维高电导损耗的特性吸收电磁波。此外，SiCnp的引入提高了界面极化及相关弛豫，进一步增强了吸波性能。通过改变前驱体中SiCnp含量，研究了SiCnp对柔性C-SiC纤维毡的形貌、微结构，缺陷数量，密度，耐弯折特性，介电性能及电磁吸波性能的影响。适量的SiCnp引入到碳纤维中，可以使纤维毡获得优异的阻抗匹配与电磁吸收性能：在2.15 mm 的厚度及17.4 GHz的频率下的反射损耗最小值 (RLmin) 低至-53.7 dB，在厚度仅为2.6 mm时，有效吸波带宽 (EAB) 为7.11 GHz (10.75 GHz至17.86 GHz)。此外，C-SiC纤维毡具有出色的柔韧性和耐弯折特性，在200次弯曲后的电阻变化小于20％，是一种良好的轻质耐弯折的柔性吸波材料。.2) 为了进一步提高C-SiC纤维毡的吸波性能，引入Fe作为磁性相制备了Fe/C-SiC纤维毡以提高其磁损耗能力。通过改变前驱体中Fe的含量，研究Fe的添加量对Fe/C-SiC纤维毡的形貌、微结构、磁性及其电磁吸波性能的影响。结果表明，Fe的引入有利于提高低频吸波的能力，并且在磁损耗和电损耗的共同作用下，Fe/C-SiC复合纤维显示了优异的宽频吸波性能。在3.15 mm的厚度下