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碳化硅吸波性能研究进展和应用

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碳化硅吸波性能研究进展和应用

陈欣   赵文希  

(湖州源沁新材料有限公司,浙江湖州 311300)

碳化硅具有优良的化学稳定性和良好的吸波性能,并且材料来源广、成本低,

在吸波领域有极大应用前景。碳化硅属于电损耗型吸波材料,材料的电导率对吸波性能有很大的影响,复合材料比单一的碳化硅有更高的吸波性能。

本文主要介绍了影响碳化硅吸波性能的几个主要因素,并对碳化硅在涂料、防辐射服、工程塑料领域的应用进行了简单介绍。

【关键词】纳米碳化硅;吸波材料;研究进展;吸波材料应用

1引言

碳化硅属于半导体材料,具有良好的高温稳定性、耐化学腐蚀、优异的抗氧化性能和低热膨胀系数等优点,是当前国内外研究最多的耐高温吸收剂。

碳化硅作为吸波剂主要包括粉体和纤维两种形态,但是常规的碳化硅并不具备良好的吸波性能,需对其进行改性处理。对碳化硅粉体而言,通常采取提高碳化硅纯度和掺杂铁、钴、镍改性等方法;对碳化硅纤维而言,主要是调整纤维吸收剂的电阻率,使其在101~103Ω.cm之间,一般采用调节纤维的烧成温度和表面改性。

对于碳化硅吸波材料的损耗机理,一般认为是多种损耗机制共同作用的结果,主要以介电损耗型吸波为主。

2 影响碳化硅吸波性能的主要因素

2.1 碳化硅粉的改性及微观结构

    大比表面积,导致界面极化增强,对改善电磁参数和阻抗匹配有重要作用。

  β碳化硅a相碳化硅具有更强的吸波能力。

碳化硅表面包覆镍改性可以实现材料的微观层复合,改善碳化硅本身的吸波性能。改性碳化硅涂层材料,厚度为0.35mm,吸波剂含量为60% 时获得最佳的性能:最低反射率为-22.07dB,频率为 16.24GHz

   宏观层复合大大提高了碳化硅的吸波性能,层顺序的变化也会影响材料的吸波性能。不同层的交换可以改进材料的低频吸收性能,还可以改善在整个频段范围内吸收均匀性,能够获得较宽的吸收频带。

枝状碳化硅晶须最大反射损耗比直线状碳化硅晶须有较大提高,有效带宽增加也得到增加;枝状碳化硅纳米线的最大反射损耗和有效带宽比直线状碳化硅纳米线也有较大提高

2.2 碳化硅纤维复合材料

碳化硅纤维增强复合材料是一种具有高强度、高抗氧化性、低密度和优良热稳定性的先进功能材料。

碳化硅纤维增强复合材料的界面能显著影响介电性能和改变吸波性能。李华展等采用真空袋工艺制备了单向碳化硅纤维/环氧树脂复合材料,发现当碳化硅纤维体积分数为25%、厚度为3 mm时,复合材料的吸波性能最佳,反射率在 X 波段内均小于-5 dB,最小为-9.9 dB

基体的性能也会影响碳化硅纤维复合材料的吸波性能:炭黑可以提高基体的导电性;添加Al 2 O 3 会降低复合材料的导电性。WAN等制备了两种导电性不同的碳化硅纤维,发现复合材料的吸收带宽可以达到6 GHz,最低的反射率在8~18 GHz的范围内大约为-20 dB

碳化硅纤维是介电损耗材料,没有磁损耗,改变磁导率,能够有效改善碳化硅纤维的吸波性能。

刘旭光等通过在上浆剂中加入羰基铁粉,制备三叶形和三折叶形碳化硅纤维/羰基铁粉复合纤维束,从而改变碳化硅纤维的磁导率。对其吸波性能进行考察的结果表明:改性后的三叶形碳化硅纤维/羰基铁粉反射率衰减大于-10 dB的频宽增大了2.48 GHz;三折叶形碳化硅纤维/羰基铁粉反射率衰减大于-10 dB的频宽增大了1.52 GHz

3碳化硅的主要应用

3.1 涂料材料领域

3.1.1军事材料领域

为了保证军事目标和武器装备的安全生存和肩负的神圣职责,人们采取了各种办法进行隐蔽性保护措施,在目标外表面涂覆保护隐身涂膜仍然是一种简单易行且有效的方

法。

由水溶性树脂、硅烷偶联剂、纳米吸波微粒(纳米碳化硅,纳米氧化锌,氧化石墨烯)、保护剂等水溶性纳米隐身涂料8-18GHz微波频率范围和红外线波长为0.76-3μm3-5μm8-14μm三个大气窗口实现了多波段吸波效果。通过电磁波反射损失进行试验,涂料膜层用红外光谱测试仪与反射率弓形测试仪测试可达85%以上的吸收率

3.1.2 微波设备领域

   现有的微波炉煎烤盘涂覆的吸波材料是采用铁氧体材料渗入在橡胶胶内部;由于渗入量比例有限及吸波材料的品种单一,烤盘表面温度低,材料本身不耐高温,而且容易发

出刺鼻气味,达不到好的煮食效果;因此,有必要设计一种全新的适合微波炉使用的吸波材料,以满足当前微波炉的需要,克服上述缺陷。

以复合吸波材料碳化硅粉末羰基铁纤维粉末铬铁粉纤维粉末氧化锌粉末等复合)和粘结剂制备的耐高温微波炉用煎烤盘的涂覆材料能够吸收微波并转化成热能,具有无毒、耐高温、不开裂、吸收微波的频率宽、转化效率高的特点。该涂覆材料可使煎烤盘能承受微波煎烤温度 200℃以上,具有更适合于微波煎、烤的功能。

3.2 防辐射服领域

众所周知,现代生活中,各种电子设备,如电脑、手机、微波炉等都产生大量的电磁

辐射,科学研究和实验证明,这些辐射对人体是有害无益的,应该尽量避免,特别是孕妇和

婴幼儿,更应当减少和避免接收这些辐射。

  以碳化硅纤维,如纳米碳化硅纤维作为吸收式防辐射层制备的防辐射服具有很好的吸收屏蔽辐射效果

3.3工程塑料领域

  尼龙11和经过KH550表面改性的纳米β碳化硅通过熔融共混法,分别在挤出机和注塑机中共混,得到尼龙11/碳化硅复合材料。将其当做吸波材料填充到体系中,填充量10%,厚度2mm时,达到-26dB,且反射损失低于-10dB(代表90%的吸收)的频带宽超过4GHz。基本满足对吸波材料“宽、轻、薄、强”的要求。

参考文献

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7.杨永升 何小练.防辐射服制备方法

8.郑文强.微波炉用煎烤盘的涂覆材料及其使用方法

9.丁飞,郑勇,张强,王金玉,朱朝晖等.一种水溶性纳米隐身涂料及其制备方法

10.王志强,石磊等.一种PA11/SiC复合材料及其制备方法

【作者简介】

陈欣,女,1986.2.23,湖州源沁新材料有限公司,产品总监

赵文希,男,1979.3.6,湖州源沁新材料有限公司,技术总监


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