3D打印“帶天線球面”分層SiC納米線/SiC晶須泡沫，用于高效的高溫電磁波吸收

供稿人：王正 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

隨著高超音速飛機(jī)和空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，尖端航空航天應(yīng)用的一些熱端組件需要在非常惡劣的環(huán)境中具有出色的電磁波吸收能力。大多數(shù)吸波材料致力于在室溫下實(shí)現(xiàn)更寬的有效吸收帶寬，更低的反射系數(shù)，更低的密度和更小的厚度。然而，很少有工作來(lái)研究這些吸波材料在高溫下的吸波能力或介電常數(shù)，特別是在氧氣存在的情況下。因此，挑戰(zhàn)仍然存在于如何設(shè)計(jì)初即使在高溫和氧化環(huán)境中也能保持出色吸波性能的吸波材料。

為了研究上述問(wèn)題，西北工業(yè)大學(xué)Xinyuan Lv等開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的“帶天線球面”分層結(jié)構(gòu)的SiC納米線/SiC晶須泡沫具有高效的高溫電磁吸波性能。在結(jié)構(gòu)中，一維（1D）SiC組裝成三維 （3D） 多孔SiC球體，見(jiàn)圖1。既增強(qiáng)了泡沫的強(qiáng)度，又構(gòu)建了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)了電磁吸波能力。此外，球內(nèi)和球間大量的孔會(huì)降低輕質(zhì)的密度。

圖1 SiC納米線/SiC晶須泡沫的制備工藝圖

SiC納米線徑向分布在球體上可以充當(dāng)“微天線”來(lái)接收電磁波，見(jiàn)圖2結(jié)構(gòu)。其次，電子將被困在球體和SiC網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)多次反射，直到耗盡。泡沫中豐富的連接接口可以誘導(dǎo)偶極極化以衰減電磁波。接口使自由電荷在界面處積聚和振蕩，在交變電磁場(chǎng)下形成電偶極矩，從而增強(qiáng)界面極化。特別的是，如果SiC泡沫被氧化，SiC的異質(zhì)界面可以增強(qiáng)多個(gè)接口極化以消耗電子。

圖2 “帶天線球面”分層結(jié)構(gòu)的電磁吸波機(jī)制示意圖

SiC納米線/SiC晶須泡沫的介電常數(shù)ε值隨著溫度從100°C上升到600°C，從3.8增加到6.7，而SiC晶須泡沫的介電常數(shù)ε值從 0.8 略微增加到 1.2（圖 3（a）（b））�？勺C明SiC納米線有效連接到SiC晶須球體，形成一個(gè)完整的 3D 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此外，介電常數(shù)的增加意味著偶極矩對(duì)溫度升高的交變電磁場(chǎng)的反應(yīng)更快，表明弛豫時(shí)間的減少。

兩種泡沫的吸波損失能力也隨溫度不同程度增強(qiáng)。SiC納米線/SiC晶須泡沫的正切損耗tanδ值從 0.46 增加到 0.61，而SiC晶須泡沫相應(yīng)的從 0.17 到 0.2圖 3（c）。圖3（d）和（e）顯示了兩種泡沫在不同溫度（100–600 °C）下的最佳厚度下的反射損耗（RC）和有效吸波帶寬（RC<-10dB的吸波頻帶）。如圖3（d）所示，有效吸波帶寬在100°C時(shí)可以達(dá)到4.1 GHz（從8.3 GHz到12.4 GHz），而其有效吸波帶寬和反射損耗兩者都隨著溫度的升高而降低，這主要是由于介電常數(shù)的上升導(dǎo)致。

圖3 SiC納米線/SiC晶須泡沫和SiC晶須泡沫的高溫吸波性能（a）ε'（b）ε“和（c）tanδ（d） 碳化硅的RC和EAB。（e） 碳化硅的RCw不同溫度下的泡沫。

參考文獻(xiàn)：
X Lv, F Ye, L Cheng, & L Zhang. 3D printing "wire-on-sphere" hierarchical SiC nanowires/SiC whiskers foam for efficient high-temperature electromagnetic wave absorption.