碳化硅陶瓷复合材料的制备及其吸波性能研究

Study on the Preparation and the Microwave Absorbing Properties of SiC Ceramic Composites

摘要: 吸波材料在军用民用领域有重要的价值和意义。本文使用陶瓷结合剂与磁性金属粉末在不同温度下烧结制备出碳化硅陶瓷复合材料，并研究了碳化硅陶瓷复合材料的结构、形貌和吸波性能。在有氧条件下，较低温度(900℃)烧结时，添加磁性金属粉末可以提高碳化硅陶瓷复合材料的吸波性能，对反射波的吸收参数S11可以由−4 dB最大可以降到−7 dB以下。高温(1400℃)下烧结时，金属颗粒周围易氧化，吸波性能提升不明显。

Abstract: Microwave absorbing materials have important value and significance in military and civil fields. In this paper, silicon carbide ceramic composites were prepared by sintering ceramic bond and magnetic metal powder at different temperatures. When sintered with 900˚C and with the presence of oxygen, the addition of magnetic metal powder enhances the microwave absorbing property of SiC composites. The absorption parameter S11 of reflected wave can be reduced from −4 dB to less than −7 dB. When sintered with 1400˚C, oxide tended to form around metal particles, resulting in no significant promotion of microwave absorbing property.

1. 引言

吸波材料是一类可以借助介电损耗、磁损耗等机制耗散电磁波能量或使电磁波因干涉而消失，从而有效避免入射电磁波反射的材料，对于军工及民用领域具有非常重要的意义。无论是在军工领域作为隐身材料，还是在民用领域保护电子设备或保障人类身体健康上，吸波材料的应用十分广泛，因此吸波材料已经成为各国重点发展的一类材料。

碳化硅(SiC)是一种电介质型吸波材料，主要依靠介电极化损耗来消耗电磁波能量，损耗机理比较复杂。由于碳化硅具有吸波性能可调、密度小、耐高温、强度大等特点，有望实现轻质、薄层等优良特性，因此成为吸波材料领域中的研究重点。

本文通过将镍、铁磁性金属引入碳化硅陶瓷，制备出碳化硅陶瓷复合材料，研究金属粉末对碳化硅复合材料吸波性能的影响。

2. SiC吸波材料

2.1. 吸波材料的吸波原理

损耗机制

吸波材料的吸波机理是将进入吸波材料的电磁波通过不同机理损耗变为热能，损耗机制可大致分为电损耗与磁损耗。磁损耗为在交变电场中磁性材料的动态磁化引起的损耗，包括涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗等。电损耗分为电导损耗与介电损耗。电导损耗为交变电场中，载流子定向移动形成宏观电流，从而将电磁波能量转化为电流的焦耳热能耗散；介电损耗主要为通过介电材料在交变电磁场下的反复电子极化、离子极化等，将电磁波能量转化为热能损耗。

2.2. SiC陶瓷复合吸波材料

2.2.1. SiC陶瓷复合材料吸波机制

碳化硅的主要吸波机理为介电损耗，但因其阻抗匹配程度较低，因此难以发挥其吸波作用。提高其吸波性能的方法如下几个方面：

阻抗匹配：若材料介电常数较高可制备低介电常数的阻抗匹配层，从而改善其与空气的阻抗匹配程度，原有高介电材料起到对电磁波的吸收作用，阻抗匹配层减少了电磁波的反射，从而提高了吸波效率。

透波/吸波复合：将透波材料与吸波材料复合，复相结构中具有较低介电常数的透波材料起到减少反射的作用，同时高介电常数的材料又起到损耗衰减电磁波的作用，使材料宏观表现出较好的吸波性能 [1]。

增加损耗机制：制备复合材料的过程中，若所添加的材料本身可以提供新的损耗机制，则也可以提升材料的吸波性能。如磁性材料与SiC的复合材料可兼备磁损耗的电损耗 [2]。

2.2.2. SiC陶瓷复合材料吸波性能的表征

使用矢量网络分析仪测试材料的电磁参数，用波导传输法测得S₁₁和S₂₁参数，两个参数与反射率，透射率的关系如下。

$RL=-20\lg \left|S_{11}\right|$

$S_{11}\left(\text{dB}\right)=10\lg \frac{反射功率}{入射功率}$

$S_{21}\left(\text{dB}\right)=10\lg \frac{透射功率}{入射功率}$

3. 实验方法

3.1. 碳化硅陶瓷复合材料制备

在碳化硅粉末中参杂的金属成分如表1。实验中所使用陶瓷结合剂配比见表2。

陶瓷结合剂制备流程为按表2比例分别称量分析纯原料 [3] [4]，干磨混料后过筛，得到陶瓷结合剂。随后进行碳化硅陶瓷复合材料的制备，将碳化硅–金属混合粉体与陶瓷结合剂按质量比4:1进行称量，干磨混料后过筛，加入5~8wt%浓度为5wt%的PVA造粒，干压成型后分别进行烧成，烧成温度分别为900℃、1400℃，保温1 h，升温速率10℃/min。烧成后打磨至需要的尺寸。

Table 1. Composition proportion of metal doped SiC

表1. 金属参杂碳化硅成分比例

Table 2. Composition proportion of ceramic binder

表2. 陶瓷结合剂成分比例

3.2. 分析表征方法

3.2.1. 成分与物相分析

使用X射线衍射仪对烧结后的产物进行成分与相结构的分析，扫描角度为10˚到80˚，扫描步长0.02˚，扫描速度为4˚/min。

3.2.2. 形貌分析

使用扫描电子显微镜对材料的微观形貌进行了测试与分析。

3.2.3. 电磁参数测试

使用矢量网络分析仪对材料的电磁参数进行了测试，使用测试方法为波导传输法，本实验中测试碳化硅陶瓷复合材料在X-band的电磁参数，依照设备要求将材料打磨尺寸22.86 mm × 10.16 mm × 2 mm。

4. 结果与讨论

4.1. 物相组成

由图1(a)、图1(b)可以看出，实验中制备的碳化硅陶瓷复合材料主要相组成为3C、4H、6H-SiC相，且有部分SiC被氧化形成SiO₂。

测试结果中SiO₂过多的原因是因为测试测试前表面磨的厚度过小，测出的样品成分基本为表面的成分。

金属成分在烧结的过程中形成陶瓷相，Ni会生成Ni₂Si，而Fe会被氧化形成Fe₂O₃。

(a)(b)

Figure 1. XRD patterns of SiC ceramic composites (a) 900˚C 15%Fe; (b) 900˚C 15%Ni

图1. 碳化硅陶瓷复合材料的XRD图谱。(a) 900℃ 15%Fe；(b) 900℃ 15%Ni

4.2. 表面形貌

图2(a)~(d)为分别在900℃、1400℃下烧结的含15%Fe，15%Ni的碳化硅陶瓷复合材料的微观形貌。在900℃下观察形貌，可看见金属成分所形成的颗粒，随着烧结温度的升高，在金属颗粒周围形成SiO₂的氧化相。

(a) (b) (c) (d)

Figure 2. The SEM image of the SiC ceramic composite material. (a) 900˚C 15%Fe; (b) 1400˚C 15%Fe; (c) 900˚C 15%Ni; (d) 1400˚C 15%Ni

图2. 碳化硅陶瓷复合材料的表面形貌。(a) 900℃ 15%Fe；(b) 1400℃ 15%Fe；(c) 900℃ 15%Ni；(d) 1400℃ 15%Ni

4.3. 介电性能

图3~5为实验测得的金属掺杂碳化硅复合材料的吸波性能曲线，观察到材料吸波性能改变，其改善的程度与电磁波的频率、金属粉添加量有关。

可以看出放入了铁粉与镍粉后，发现两种材料的吸波性能变化趋势不同，且含镍材料的吸波性能比含铁材料好。在不同烧结温度下，两种材料性能提升的程度相似，而吸波性能强化的波段不同。

Figure 3. S₁₁ parameters Ni-containing silicon carbide composites

图3. 含Ni碳化硅复合材料的S₁₁参数

Figure 4. S₁₁ parameters of Fe-containing silicon carbide composites

图4. 含Fe碳化硅复合材料的S₁₁参数

Figure 5. The absorption properties of sintered silicon carbide composites varied with metal mass fraction at different temperatures

图5. 不同温度烧结碳化硅复合材料吸波性能随金属质量分数的变化

考虑碳化硅本身的吸波性能具有较好的可调性以及铁粉的价格低廉，因此制作复合吸波材料时，Fe可以作为Ni的替代，或者将两者混合使用。

在不同温度下进行烧结后，我们发现S₁₁和S₂₁参数有一定的变化规律。为了定性的了解S₁₁，S₂₁参数变化规律。我们将S₁₁、S₂₁数据在8~12 GHz取平均。并将平均值进行比较。发现在高温下烧结时，材料具有对反射波的吸收减弱，对透射波的吸收增强的变化趋势。

5. 总结

本文使用金属粉末和陶瓷结合剂制备了碳化硅陶瓷复合材料，并探究了不同成分比和烧结温度对其吸波性能的影响。在有氧条件下，较低的温度进行烧结时，添加磁性金属粉末可以提高碳化硅吸波材料的吸波性能。添加镍的材料吸波性能比添加铁有更好的吸波性能，但铁依然可以提高材料的吸波性能，在价格方面可以替代镍粉制备吸波材料。高温烧结下没有能够得到性能的提升是因为金属颗粒周围容易发生氧化，可考虑真空烧结。

基金项目

清华大学实践教学教改研究项目(ZY01-02)。

NOTES

^*通讯作者。