cnws（cnts）_si3n4復(fù)相陶瓷的微結(jié)構(gòu)與電磁性能研究

1、摘要摘要碳陶瓷復(fù)合材料是航空航天等領(lǐng)域極具發(fā)展前景的輕質(zhì)、高溫、結(jié)構(gòu)型吸波和屏蔽材料。常見的碳陶瓷復(fù)合材料難以實現(xiàn)強吸收和X波段全頻反射系數(shù)小于10dB的目標。此外，在碳含量較低（10wt%）和材料厚度較薄（≤2.0mm）的條件下獲得總屏蔽效能大于25dB且較低反射的屏蔽性能是碳陶瓷材料領(lǐng)域的另一難題。因此有必要發(fā)展新型碳陶瓷復(fù)合材料，以滿足寬頻、強吸收、低反射、薄厚度等吸波和屏蔽要求。本文采用CVD法在多孔SiN預(yù)制體（厚度為2.0m

2、m）中原位自生多晶碳34納米線（CNWs）和CNWsCNTs混雜結(jié)構(gòu)，制備了電磁吸收和屏蔽性能優(yōu)異的新型碳陶瓷復(fù)合材料，實現(xiàn)了X波段全頻反射系數(shù)（RC）小于10dB（90%電磁波被吸收）和總屏蔽效能大于25dB（99.7%電磁波被隔離）的目標。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：1.研究了沉積時間對CNWsSiN復(fù)相陶瓷微結(jié)構(gòu)和電磁性能的影響。34(1)在700oC合成了一維CNWs，直徑約40nm，長度屬微米級別且相互纏繞、聯(lián)結(jié)，與棒狀SiN晶粒

3、共同形成了復(fù)雜的、跨尺度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；CNWs為34實心的多晶結(jié)構(gòu)，由1~2nm石墨片組成，且基平面（002）面垂直于軸向；隨沉積時間從10min延長至30min，CNWs含量迅速從1.34wt%增加至5.15wt%且部分CNWs變粗、成束，缺陷密度呈現(xiàn)上升趨勢。(2)當SiN中CNWs含量為1.84wt%時，CNWsSiN復(fù)相陶瓷電導(dǎo)率為34342.63Sm，最低RC為50.21dB（99.999%以上電磁波被吸收），最大吸收帶寬達到4

4、.2GHz，覆蓋整個X波段；CNWs含量為5.15wt%時，總屏蔽效能和吸收屏蔽效能分別達到25.01dB和21.29dB，屏蔽機制以吸收為主。CNWsSiN的強34吸收能力主要源于電導(dǎo)損耗、缺陷偶極子極化以及多次反射損耗的吸波機制。2.研究了沉積溫度對碳產(chǎn)物組成、微結(jié)構(gòu)及CSiN電磁性能的影響。34(1)溫度為600~650時，組成為CNWsCNTs混雜結(jié)構(gòu)，且以CNTs為主；800~900現(xiàn)一定量無定形碳（aC），組成為CNTsaC

5、；1000C時則主要是aC。CNWs在較低溫度（≤700C）下合成，生長過程主要和NiC界面處碳原子均勻擴散有關(guān)；CNTs在較高溫度（≥750C）下合成，形核、生長主要由界面和表面擴散共同決定。CNWs在1000C熱處理時會轉(zhuǎn)變成CNTs，這種轉(zhuǎn)變可以看作是碳原子擴散、納米石墨重排和長大的過程。(2)溫度低于850C時，CSiN電導(dǎo)率小于6.27Sm，介電常數(shù)實部和虛部oC時，SiN中CVD碳產(chǎn)物組成為非晶CNWs，750oC34oC時

6、，產(chǎn)物中出ooooo34均小于10，復(fù)相陶瓷表現(xiàn)出吸波特性，750oC時最小RC為28.43dB；900oC及IAbstractAbstractCarbonceramiccompositesareextremelypromisingstructuralelectromagic(EM)absbingshieldingmaterialswithlowdensitygoodhightemperaturestabilityusedinaviat

7、ionspaceflightapplications.Howeverthereflectioncoefficientofcommoncarbonceramiccompositesisrelativelyhighhardlylessthan10dBinwholeXb.Additionallyitisalsodifficultfthesecompositestogetahightotalshieldingeffectiveness(SE)o

8、fmethan25dBwithalittlereflectionwhenthelowcarbonloading(≤5wt%)smallthickness(≤2.0mm)arerequiredinadvance.Therefethereisanurgentneedfustoexploitnewcarbonceramicabsbingshieldingcompositeswhichshowbroadeffectiveabsptionbwid

9、thstrongEMattenuationlowEMreflectionthinthickness.Inthisthesispolycrystallinecarbonnanowires(CNWs)CNWsCNTshybridinsitugrownbyCVDareintroducedintopousSiNceramicwithathin34thicknessof2.0mmtoattainthenewcarbonceramiccomposi

10、teswithexcellentabsbingshieldingproperties.Thegoalpropertiesofreflectioncoefficient(RC)lowerthan10dB(90%EMwaveisabsbed)totalshieldingeffectivenesslargerthan25dB(99.7%EMwaveisshielded)inwholeXbareachieved.Themainresearchc

11、ontentsconclusionsareasfollows:1.TheeffectsofCVDtimeonthemicrostructuresEMabsptionshieldingpropertiesofCNWsSiNcompositeceramicsareinvestigatedindetail.34(1)Carbonnanowires(CNWs)aresynthesizedat700oCshowsthepitteddefected

12、surfaceshighlycurvedstructureswithdiameterofabout40nmthusfmingthecomplexmultiscalewksinCNWsSiNcomposite34ceramics.Whendepositiontimeincreasesfrom10to30minthemasspercentofCNWsincreasesquicklyfrom1.34to5.15wt%thediameterof

13、somenanowiresbecomethicker.Alsothedefectdensityshowsanrisingtendency.AsreceivedCNWsissolidpolycrystallinecomposedofgraphitenanosheetswithsizesof12nmthe(002)planesarerarelyperpendiculartothewireaxis.(2)WhenCNWsaccountsf1.

14、84wt%CNWsSiNshowsfavableelectrical34conductivityof2.63Smextremelyexcellentabsptionproperty.TheminimumvalueofRCis50.21dBmeaningthatmethan99.999%ofEMwaveenergycanbeattenuatedtheeffectiveabsptionbwidthreaches4.2GHzcoveringt