摘要
近年来，以无线电科学为基础的电子信息技术飞速发展，给人们的日常生活和工作带来了极大便利，同时也导致了严重的电磁污染，给高精度电器抗干扰和生物健康防护带来了前所未有的挑战。另一方面，随着雷达探测技术水平的不断升级，现代战争对武器装备电磁隐身性能也提出了更多、更高的要求。电磁波吸收材料因其能损耗和衰减电磁能量而被广泛需要。当前，各相关领域对电磁波吸收材料的需求不仅有“薄厚度、强吸收、宽频带、轻质”,还有多频谱、耐高温、高强度、抗辐射等。一维SiC纳米纤维拥有高比表面积、低热膨胀系数、高强度、耐化学腐蚀、可调电导率等优点，是很有前景的电磁波吸收候选材料，但其复介电常数值较低导致吸波能力有限，不能满足该领域的应用需求。本研究采用聚合物前驱体静电纺丝结合高温热解、冷冻干燥技术，构建多相(两相、三相)及多结构(纤维结构、核壳结构、多孔气凝胶结构)的SiC/C纳米纤维复合材料，合成满足吸波性能要求(反射损耗小于-10dB)的电磁吸收体，系统分析各组分结构对电磁波吸收材料吸波性能的作用规律，研究不同电磁波吸收材料的吸波机理，探索复合材料在多领域的吸波应用： (1)利用聚碳硅烷与PVP前驱体静电纺丝技术，通过碳热还原反应，制备了SiC/C纳米纤维。当电磁波入射到热解温度为1400℃制备的样品(S1400)表面时，由于其高阻抗匹配△值66.7%,使得大部分电磁波能够顺利进入到SiC/C纳米纤维内部被衰减吸收；而对于S1500样品，由于其较低的阻抗匹配△值27.6%,导致一部分入射电磁波在SiC/C纳米纤维表面被反射回自由空间，无法进入到吸波体内部被衰减损耗。在结晶-作用状态下，随着热解温度从1300℃升高到1400℃,SiC纳米晶与碳畴(SiC/C)的尺寸比由7/2.85变为16/3.09,显著增大了碳化硅与碳、碳化硅与碳化硅之间的异质界面面积，提高了界面极化发生几率，促进了界面极化弛豫过程，同时有效增强了SiC/C纳米纤维整体的介电损耗能力。在结晶-反作用状态下，1500℃的热解温度导致SiC/C纳米纤维石墨化程度加剧，SiC纳米晶与碳畴(SiC/C)的尺寸比由16/3.09变为32/3.6,高导电涡层碳急剧升高造成电磁波在SiC/C纳米纤维表面的强烈反射，最终导致SiC/C纳米纤维的电磁波吸收性能下降。1400℃热解温度下制备的样品在匹配厚度为3mm、11.36GHz频点处的最小反射损耗值可达-34.8dB，有效吸波带宽能达到4.72GHz(9.28-14GHz)。填充量为10wt%的样品具有最佳的吸波效能，当匹配厚度为3mm时，最小反射损耗值达到-35.5dB，有效吸收带宽达到4.3GHz(12.5GHz-16.8GHz)。 (2)针对SiC/C纳米纤维匹配厚度较大、介电损耗较弱的问题，通过将乙酰丙酮铁引入聚碳硅烷、PVP前驱体中，采用静电纺丝技术原位制备了含有磁性金属间化合物Fe3Si的SiC/Fe3Si/C复合纳米纤维。不同乙酰丙酮铁含量制备的四种样品PF-1、PF-2、PF-3和PF-4中Fe3Si纳米晶的平均晶粒尺寸分别为13nm、16nm、20nm和25nm，且各样品的石墨化程度均较低，Fe3Si含量的变化对复合纳米纤维石墨化程度没有实质性影响。随着复合纳米纤维中Fe3Si含量的升高，其饱和磁化强度和矫顽力逐渐增大，使得磁自然共振峰向高频移动，有利于高频电磁波的衰减。PF-3样品具有最出色的吸波性能，当其匹配厚度为2.5mm时，最小反射损耗值达到-56.2dB，有效吸波带宽达到6.8GHz(11.2-18GHz)。在14GHz频点处，保证最小反射损耗小于-10dB，PF-1、PF-2、PF-3和PF-4样品的匹配厚度分别仅为2.1mm、1.9mm、1.7mm和1.7mm，表明磁性Fe3Si的加入可以有效降低匹配厚度。 (3)针对SiC/C纳米吸波纤维高温抗氧化能力不足的问题，在聚碳硅烷、PVP前驱体溶液中引入乙酰丙酮锆，采用静电纺丝技术成功制备了抗氧化SiC/ZrC/SiZrOC杂化纳米纤维。纤维表面原位生成非晶态SiZrOC抗氧化层，厚度约为6nm，其能有效降低氧分子向杂化纳米纤维内部扩散，为SiC/ZrC基体提供良好的保护，使SiC/ZrC/SiZrOC杂化纳米纤维在700℃下具有良好的抗氧化性能。700℃氧化后的SiC/C纳米纤维由于碳相在空气中分解致使电导率骤降为0.35S/cm，而氧化后的SiC/ZrC/SiZrOC杂化纳米纤维因为纤维结构保持完好，电导率随ZrC含量的增加(1.8wt.%→10wt.%)由0.7S/cm升高至1.36S/cm，有效增强了载流子的迁移率。氧化后的SiC/C纳米纤维在2-18GHz频率范围内的反射损耗仅为-4.2dB，而氧化后的SiC/ZrC/SiZrOC(ZrC-7.0wt.%)样品在所有样品中拥有最高的吸波强度与最宽的有效吸波带宽。其在匹配厚度为4mm，频率为14.1GHz时获得了最小反射损耗值-40.38dB、最大有效吸波带宽6.9GHz(8.1-15GHz)，并且实现了所有匹配厚度下的宽吸收。雷达散射截面模拟分析表明覆盖700℃氧化1h后的SiC/ZrC/SiZrOC杂化纳米纤维可以有效抑制沟槽结构的强电磁散射。 (4)为了满足吸波体多功能轻量化的需求，以SiC/C纳米纤维、氧化石墨烯、聚乙烯醇和戊二醛为原材料，经均质、微波缩醛反应、冷冻干燥的方法，合成了一种新型层状SiC/C纳米纤维@聚乙烯醇/还原氧化石墨烯(PSG)杂化气凝胶材料。SiC/C纳米纤维随机分布，穿插在石墨烯片层之间。超轻PSG杂化气凝胶拥有三维多孔结构，在高压缩速率和大应变下，仍显示出循环特性，并且其能够通过内部孔隙的多次反射、散射扩展电磁波衰减的有效路径，结合介电与电导损耗，赋予杂化气凝胶出色的电磁波吸收性能。匹配厚度为2.5mm的PSG-3杂化气凝胶在频率15.28GHz处最小反射损耗值达到-61.02dB，有效吸收带宽达到7.04GHz(9.28-16.32GHz)。PSG-3杂化气凝胶的比屏蔽效能(SRLt)和比吸收效能(SRLft)值分别达到-24.4和-2218，优于其他SiC/C基复合材料。
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