强吸波SiC(N)-Si3N4陶瓷泡沫的构筑、介电特性与构效关系研究

基本信息
批准号:51802328
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:24.00
负责人:吴海波
学科分类:
依托单位:中国科学院上海硅酸盐研究所
批准年份:2018
结题年份:2021
起止时间:2019-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:黄政仁,杨丽慧,刘泽华,王鲁杰,李娅婕
关键词:
显微结构调控吸波性能陶瓷泡沫碳化硅陶瓷构效关系
结项摘要

High temperature wave-absorbing materials are pivotal radar stealth materials for high-speed weapons, such as fighter aircraft, cruise missile and so on. SiC-based ceramic foams are considered as a novel wave-absorbing material of high temperature, which wave-absorbing property depends on their composition of pore struts and pore structures (pore size and porosity). Till now, there are still some challenges left, including a limited wave-absorbing capability of pore struts, oversized pore diameter and uncontrollability of pore structures. SiC(N)-Si3N4 ceramics are constituted of a wave-loss N-doped-SiC phase and a wave-transparent Si3N4 phase, and possess a synergistic dielectric loss mechanism of interfacial polarization and relaxation polarization, which thus suit as pore struts of strong wave-absorbing capacity. Moreover, foaming-gelcasting process can be adopted to realize the thinning of pore size and tailoring of pore structures. In this project, new-style SiC(N)-Si3N4 ceramic foam with excellent wave-absorbing property will be constructed through this process. We will investigate the effects of N-doping, phase composition and grain size of SiC(N)-Si3N4 multiphase ceramics on their dielectric characters and wave-absorbing property, illuminate the regulatory mechanisms of dielectric loss, and select the optimized composition of pore struts with excellent wave-absorbing property. The foaming-gelcasting process for SiC(N)-Si3N4 ceramic foams will be built, and the wave-absorbing property will be optimized through tailoring their pore structures. And then we will study the effects of pore structures on the dielectric characters and wave-absorbing properties, and reveal their structure-function relationship. The research achievement will provide theoretical supports for the design and preparation of high-performance wave-absorbing ceramic foam materials.

高温吸波材料是战斗机、巡航导弹等高速武器的关键隐身材料。SiC基陶瓷泡沫作为一种理想高温吸波材料,其吸波性能取决于孔壁组成与孔结构(孔径与孔隙率),目前存在孔壁组成吸波能力有限、孔径偏大、孔结构调控困难等问题。由N掺杂SiC损耗相与Si3N4透波相组成的SiC(N)-Si3N4陶瓷具有界面极化与松弛极化协同的介电损耗机制,有望作为吸波能力强的孔壁材料。发泡-凝胶注模工艺可实现陶瓷泡沫的孔径细化与孔结构调控,本项目拟采用该工艺构筑新型强吸波SiC(N)-Si3N4陶瓷泡沫。探究N掺杂、相组成、晶粒尺寸对SiC(N)-Si3N4陶瓷介电特性的影响规律,阐明介电损耗调控机制,据此优选吸波能力强的孔壁组成。建立SiC(N)-Si3N4陶瓷泡沫的发泡-凝胶注模制备工艺,通过孔结构调控优化吸波性能,揭示孔结构与介电特性及吸波性能之间的构效关系,研究成果将为高性能陶瓷泡沫吸波材料的设计制备提供理论支撑。

项目摘要

高温吸波材料是高速武器的关键隐身材料,高温下吸波机制主要为介电损耗。SiC基多孔陶瓷是优异的高温介电损耗吸波材料,其吸波性能取决于孔壁组成与孔结构,目前主要通过模板法、冷冻干燥法等方法制备,存在孔壁组成吸波能力有限、孔结构调控困难等问题。本项目在高介电常数SiC孔壁中引入介电常数低、透波性能好、耐高温Si3N4第二相,形成吸波-透波复相孔壁组成,增强孔壁电磁波吸收;同时,采用颗粒堆积、固态造孔剂、发泡等多种成孔机制,调控优化孔结构,实现强吸波SiC-Si3N4多孔陶瓷材料制备,同时深入研究SiC-Si3N4多孔陶瓷的吸波性能、构效关系与吸波机制。 通过材料组分设计调控了SiC与Si3N4的两相含量,使其等效电磁参数满足优化设计要求,当SiC含量为40wt%时阻抗匹配与吸收损耗达到较佳平衡,多孔陶瓷吸波性能最佳。通过发泡-凝胶注模工艺制备球形孔SiC-Si3N4多孔陶瓷吸波材料,通过调整固含量与发泡剂添加量可以实现孔结构的调控,发现双级孔结构SiC-Si3N4多孔陶瓷吸波性能最佳,最小反射系数可达-22.78dB,即电磁波吸收率达99.47%。进一步引入铁基催化剂,最小反射系数可达-74.09 dB。吸波机理为:宏观尺度上大孔的存在可以改善界面阻抗匹配,使电磁波能更多地进入材料内部,小孔对电磁波的多重反射、散射,延长了电磁波的传输路径,为孔壁实现对电磁波的多次吸收提供了机会;微观尺度上,纳米线的大量生长提供了众多的界面,大大增加了界面极化损耗;纳米尺度上,材料中存在的晶界、缺陷以及堆叠层错等在电磁场作用下会产生极化弛豫,极化损耗会导致电磁波的吸收衰减。通过本项目研究,获得了性能优异的SiC基陶瓷泡沫材料,并明晰了其孔结构与吸波性能调控优化规律,为高性能的高温吸波材料的开发奠定了良好的基础。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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