南京航空航天大学陈照峰团队ACS Sustainable Chem. Eng.: 三维碳/碳化硅泡沫吸波性能研究进展

【引言】

随着电子设备和无线通讯设施的爆炸式增长，电磁污染日益严重，不仅影响了设备的日常运行，还对人类的生产活动带来了危害。为了适应经济建设和国防建设的需求，发展新型电磁吸波材料变得尤为重要。近年来，国内外学者基于碳材料优异的导电性能、介电损耗以及质轻等特点，开展了大量研究工作发现，将磁性材料与碳材料结合可以得到性能优异的吸波材料，比如Fe₃O₄/C核壳纳米棒、Fe₃O₄/C核壳结构、Ni/C纳米胶囊、Fe/C纤维、Fe₃O₄/碳纳米管等。但是，磁性材料的铁磁特性、不稳定性和高密度限制了吸波材料的进一步发展。

为此，国内外学者研究了硅基材料来增强碳材料的吸波特性，SiC材料由于其低密度、高热稳定性、化学稳定性和机械高等性能得到了广泛的青睐，聚吡咯@SiC纳米复合材料，SiO₂包覆SiC/Co纳米线，SiC掺杂纳米材料，SiC微管、SiC纳米线等硅基材料能在高温苛刻条件下实现应用，打开了硅基材料在吸波领域的应用大门。

【成果简介】

近日，南京航空航天大学陈照峰教授课题组在三维碳泡沫表面采用化学气相沉积热解碳涂层以改善表面结合位点，然后沉积超薄SiC薄膜，在实现碳泡沫力学强化的同时，显著提高其抗氧化性能、压缩性能和吸波性能，结果显示复合材料在13.92GHZ频率下反射率低至-37.189dB。该工作以“Enhanced Electromagnetic Absorption Properties of Novel 3D-CF/PyC Modified by Reticulated SiC Coating”为题，发表在ACS Sustainable Chemistry＆Engineering上。

【研究亮点】

1.以碳泡沫为基体骨架，实现三维反射结构，提高电磁波在内部的衰减吸收；

2.通过热解碳涂层修复碳泡沫骨架表面缺陷和结合位点，促进SiC粒子沉积；

3. 调节SiC涂层厚度实现吸波性能可控，体现材料性能的可设计性。

【图文导读】

图1 碳化硅涂层对复合材料抗氧化性和压缩性能的增强

a.700℃下材料质量残留率87%以上b. 抗压缩性能显著提高

图2 碳化硅涂层对复合材料吸波性能的改善

a 和 b. 碳泡沫基体反射率仅为-8.02dB，不满足吸波材料要求

c 和 d. 碳化硅薄膜沉积9小时，最低反射率低至-23.435dB

e 和 f. 碳化硅薄膜沉积18小时，最低反射率低至-37.189dB

图3 复合材料阻抗匹配和衰减系数以及吸波原理示意图

a.SiC涂层显著提高阻抗匹配系数，从而提高电磁波入射占比

b.SiC涂层在一定程度上降低材料对电磁波的衰减系数

c.电磁波在碳/碳化硅泡沫内部以及界面多次反射、衰减以及吸收

【小结】

本文报道了SiC薄膜沉积用于电磁吸波领域的研究，与纯碳泡沫样品相比，三维碳/碳泡沫的吸波性有明显的提高，发射率由原来的-8.02dB降低到了-37.189dB，同时材料的抗氧化性能和抗压缩性能也得到了大幅改善，700℃下质量残留率由0%提高到了87%。更为重要的是，本文通过调节SiC薄膜厚度实现了材料的吸波性能调节，有助于后期的材料结构设计，为开发新型吸波材料体系提供了新的方法。

文章链接：

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

本文由南京航空航天大学陈照峰教授课题组编译。

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