碳化硅陶瓷复合材料的制备及吸波性能研究

Preparation and Wave Absorption Performance Research of Silicon Carbide Ceramic Composites

摘要: 吸波材料作为防电磁干扰和电磁污染的有效屏障，广泛应用在军事隐身、航空航天、个体防护等领域。本研究在不同温度下烧结不同镍含量的碳化硅样品，并用网络分析仪对样品的吸波性能进行测试。结果显示，含镍量越高的样品对于透射波和反射波的吸收性能越好。在1200℃下烧结的样品具有较好的对透射波的吸收性能，1000℃具有最差的对反射波的吸收性能。本研究对于掺镍碳化硅材料的制备有重要指导意义，进一步的研究可划分更细的温度梯度和镍含量梯度，有望找到最合适的烧结温度和掺镍量，为新型吸波材料的制备提供思路。

Abstract: As an effective barrier against electromagnetic interference and pollution, absorbing materials are widely used in fields such as military stealth, aerospace, and personal protection. This study sintered silicon carbide samples with different nickel contents at different temperatures and tested their microwave absorption properties using a network analyzer. The results show that samples with higher nickel content have better absorption performance for transmitted and reflected waves. The sample sintered at 1200˚C has good absorption performance for transmitted waves, while 1000˚C has the worst absorption performance. This study has important guiding significance for the preparation of nickel doped silicon carbide materials. Further research can be divided into finer temperature gradients and nickel content gradients, and it is expected to find the most suitable sintering temperature and nickel doping amount, providing ideas for the preparation of new absorbing materials.

1. 引言

吸波材料作为防电磁干扰和电磁污染的有效屏障，广泛应用在军事隐身、航空航天、个体防护等领域[1]。铁镍磁性金属是传统的吸波材料，具备良好的磁性、低毒性、高相容性和强自旋极化性，但是，铁镍磁性金属的缺点同样显著，比如其密度大、高温稳定性差[2] [3]。这些缺点使其在吸波领域的应用受到了很大限制。

为了克服传统吸波材料的缺点，科研人员发展了许多新型吸波材料，碳化硅材料具有吸波性能可调、密度小、耐高温、强度大等优点，有望实现轻质、薄层等优良特性，因而成为近年来的研究热门[3] [4]。碳化硅的主要吸波机理为介电损耗，即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[5] [6]。但是因其与空气的阻抗匹配程度较低，高纯碳化硅在微波频段的吸波性能表现并不突出，难以发挥其吸波作用[7] [8]。为了提高碳化硅材料的吸波性能，本研究将碳化硅材料与铁镍磁性金属相结合，使其同时具备磁损耗机制和电损耗机制，从而提升其吸波性能。

2. 实验设计

2.1. 材料制备

2.1.1. 制备陶瓷结合剂

根据陶瓷结合剂成分比例，共配制30 g备用，称重后干磨混料、过筛(见表1)。

上述十二份样品每份总质量均为30 g，按照表1称量好各组分后，反复搅拌混合物，直至几乎无颗粒状物质残留，然后将混合物均匀涂覆在玻璃皿上并压实固化。待样品完全固化后，用切割机、磨床和砂纸加工样品至符合吸波性能测试时要求的样品标准尺寸：大块22.86 mm × 10.16 mm × 2 mm (8.2~12.4 GHz的波导测试)，小块15.799 mm × 7.899 mm × 2 mm (12.4~18 GHz的波导测试)。

Table 1. Composition proportion table of ceramic binder

表1. 陶瓷结合剂成分比例表

成分	SiO2	Al2O3	H3BO4	Na2CO3	K2CO3	Li2CO3	H2O
质量分数	52.9	11.3	6.1	14.6	10.2	4.8	2

2.1.2. 制备陶瓷复合材料

配置分别含有5%、10%、15% Ni的SiC，每份30 g备用。将SiC-Ni与陶瓷结合剂按质量比4:1进行称量，每组总重30 g，即24 g SiC-Ni与6 g陶瓷结合剂。将配好的样品进行混料湿磨，干燥后再加入5~8 wt%浓度为5 wt%的PVA造粒，干压成型后放入管式炉内进行烧成。

总共做五组对照实验，分别为5% Ni、1000℃；10% Ni、1000℃，15% Ni、1000℃；10% Ni、1200℃；10% Ni、1350℃。

2.2. 性能测试和结构表征

吸波性能利用中电科3656D矢量网络分析仪(VNA)，采用波导传输法测试陶瓷复合材料的电磁参数[9]-[11]。材料结构表征则采用Rigaku的X射线衍射分析仪确定复合材料的物相组成；使用Phenom Pure扫描电镜(SEM)观察复合材料的表面形貌，借助Zeiss扫描电镜(SEM)做X射线能谱分析(EDS)确定表面形貌的具体信息[12] [13]。样品烧成时管式炉内的气体条件为真空环境，升温速率10℃/min，保温1 h。烧成后将样品打磨至所需尺寸(22.86 mm × 10.16 mm × 2 mm)。

3. 结果与讨论

3.1. 表面形貌

从五组碳化硅陶瓷复合材料样品表面形貌测试结果可以清晰地看到Ni颗粒较均匀地分布在样品表面，因而样品的掺镍效果良好(见图1)。

注：(a) 5%~1000℃样品的表面形貌；(b) 10%~1000℃样品的表面形貌；(c) 15%~1000℃样品的表面形貌；(d) 10%~1200℃样品的表面形貌；(e) 10%~1350℃样品的表面形貌。

Figure 1. Surface morphology of ceramic composites

图1. 陶瓷复合材料表面形貌

3.2. 成分测试

经过研磨、烧结、打磨加工后的样品存在Ni的损耗，且原本所含镍百分数越多的样品，损耗越多。其原因归结为两点：球磨时间不够，导致Ni并未完全分散开，烧结后打磨时Ni部分聚集在表面，因此打磨过程中会损失部分Ni；烧结过程中氧气混入与Ni反应使得Ni聚集于偏表面位置。虽然镍含量有损失，但是含镍量仍然呈现递增趋势，因此有比较吸波性能的意义。EDS能谱分析结果如表2所示：

Table 2. The percentage of nickel content in samples with different temperatures/compositions

表2. 不同温度/成分样品的镍含量百分比

成分 温度	5%	10%	15%
1000℃	3.94	5.03	8.48
1200℃		3.88
1350℃		4.07

3.3. 物相分析

根据X射线衍射图谱可知，样品主要含SiC相，部分Ni₂Si相，以及少量的SiO₂相，因此基本得到了期望的物相组成(见图2)。

(a)

(b)

Figure 2. X-ray diffraction patterns of samples at 1000˚C (a) and 1200˚C (b)

图2. (a) 1000℃样品的X射线衍射图谱；(b) 1200℃样品的X射线衍射图谱

3.4. 电磁参数测试

吸波材料性能优劣的一个重要参数是反射率RL (Reflection Loss)，数值为负[14] [15]。材料的反射率越小，表明材料对电磁波吸收能力越强。对于本实验，通过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[16] [17]，两个参数与反射率，透射率的关系如下：

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

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

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

因此可以看出，测出的S₁₁的值越小，说明材料对反射波的吸收性能越好；测出的S₂₁的值越小，说明材料对透射波的吸收性能越好。

电磁参数测试结果如图3所示，根据实验结果我们可以得到：对于反射波的吸收，含镍浓度越高的样品吸收效果越好，1350℃的样品的吸收效果最优，1200℃的样品的吸收效果最差；对于透射波的吸收，含镍浓度越高的样品吸收效果越好，1200℃的样品的吸收效果最优，1000℃的样品的吸收效果最差。

注：(a) 不同含镍量样品的S₁₁参数值；(b) 不同烧成温度样品的S₁₁参数值；(c) 不同含镍量样品的S₂₁参数值；(d) 不同烧成温度样品的S₂₁参数值。

Figure 3. Microwave absorption properties of samples with different nickel contents/temperatures

图3. 不同镍含量/温度样品的吸波性能

4. 结论

本研究在不同温度下烧结不同镍含量的碳化硅样品，并用网络分析仪对样品的吸波性能进行测试，得到结论如下：

(1) 含镍量越高的样品对于透射波和反射波的吸收性能越好；

(2) 1200℃的烧成温度为转折温度，在此温度下烧结的样品具有最优的对透射波的吸收性能，1000℃具有最差的对反射波的吸收性能。

本研究对于掺镍碳化硅复合材料的制备有重要指导意义，进一步的研究可通过划分更细的温度梯度和镍含量梯度，有望找到最合适的烧结温度和掺镍量，为新型吸波材料的制备提供思路。

基金项目

清华大学实践教学教改研究项目(DX07-02)。

NOTES

^*通讯作者。