阻抗梯度SiCN陶瓷的增材制备及其吸波机理

That designing the distribution of single absorber no matter traditional absorption materials or new absorption materials with nanostructure is difficult to obtain the wide band absorption materials. In order to resolve these problems, this project proposes the idea about multiscale design method of composite. SiC nanowires and CNTs reinforced SiCN ceramics were designed and fabricated by using high-resolution 3D printing. This project will be firstly focused on the effect of one-dimensional nanostructure and heterogenous interface polarization on tangent loss and absorption properties. According to reflection coefficient of laminated absorption materials which based on the genetic algorithm, the composition, impedance and thickness of different layers for the impedance gradient SiCN ceremics were designed. The impedance gradient SiCN ceremics were synthesized by using high-resolution 3D printing. The aim of the strong absorption and broad absorption band will be achieved by the synergistic effect between multiple EM reflection of multilayer structures and strong absorption attenuation of one-dimensional nanostructure. The synergistic mechanism of multiple reflection and strong absorption attenuation will be revealed, and the microstructure design method of wide band absorption materials will be established. The present work will provide a theoretical foundation for the structure optimization and design of wide band absorption materials.

针对调控传统吸波材料和新型纳米吸波材料等单一吸波剂分布状态难以实现宽频吸波这一科学问题，本项目提出一种多尺度复合结构设计思路，采用高精度光固化三维成型机成型制备一维纳米材料（SiC纳米线和CNTs）增强的SiCN吸波陶瓷，研究一维纳米材料微结构和异质界面极化对介电损耗和吸波性能的影响机理。通过遗传算法计算层状吸波材料的电磁波反射系数，设计阻抗梯度SiCN陶瓷各层材料的组成、阻抗和厚度。根据计算结果采用三维成型机成型阻抗梯度SiCN陶瓷，研究多层结构设计对材料吸波性能的影响规律，揭示多层结构对电磁波的多重反射和一维纳米吸波剂对电磁波强吸收两者的协同作用机制，实现对入射电磁波宽频强吸收的目标，为宽频吸波材料的设计和研究奠定理论基础。

针对调控传统吸波材料和新型纳米吸波材料等单一吸波剂分布状态难以实现宽频吸波这一科学问题，本项目提出一种多尺度复合结构设计思路，采用高精度光固化三维成型机成型制备CNTs增强的吸波陶瓷，研究一维纳米材料微结构和异质界面极化对介电损耗和吸波性能的影响机理。本文主要研究内容和结果如下：.（1）纯Si3N4粉体的折射率（n = 2.1）与树脂（n = 1.49）的折射率相差较大，光散射严重，大大降低了陶瓷浆料的固化深度，很难直接利用立体光刻技术成型Si3N4陶瓷零件。为解决氮化硅粉体难以光固化的难题，本研究采用表面包覆有机物方式改性Si3N4粉末。原始Si3N4粉体的固化深度仅为20 μm，经过包覆改性，Si3N4粉体的固化深度分提高到40 μm m，有效提高原始Si3N4粉体的固化深度。.（2）采用数字光处理（DLP）三维打印技术和高温烧结技术相结合，制备了性能优良的宽频透波Si3N4-SiO2复相陶瓷，研究高温烧结温度对Si3N4-SiO2复合陶瓷的增重率、密度、尺寸收缩率、相组成、显微结构、抗弯强度和介电性能的影响。烧结温度从1250 ℃增加到1350 ℃时，陶瓷的密度从1.60 g/cm3增加到1.76 g/cm3。经过1350 ℃烧结后的Si3N4-SiO2复合陶瓷的力学强度为77 ± 5 Mpa。在8.2 ～ 18 GHz的电磁波段，复合陶瓷都具有良好的透波性能。复合陶瓷的相对ε小于4，tanδ小于0.0035。.（3）以金属背板模型为基础计算材料介电常数与反射率的关系，获得材料在不同厚度下实现最优吸收和宽频吸收时所需的电磁参数目标值。结果表明：当材料厚度为2mm和3mm时，需频散效应才能获得较宽的EAB，当厚度为4mm和4.5mm，介电常数分别满足ε′=3.8，ε″=2.65-3.15和ε′=3.4，ε″=1.85-2.35时，其EAB可达4.2GHz。采用DLP工艺制备了CNTs-树脂吸波复合材料，研究CNTs含量和宏观蜂窝结构设计对材料的吸波性能的影响规律。结果表明：CNTs在电磁场作用下可产生传导电流，CNTs在陶瓷中形成的大量界面可发生强烈界面散射，从而消耗电磁波达到提高吸波性能的效果。蜂窝结构提供更多的表面积，增加电磁波在材料内部的多重反射，提高材料的吸波性能，蜂窝夹层结构的样品的EAB得到进一步的拓宽，可覆盖整个X波段。