Si-B-C-N陶瓷的化学气相沉积机制与电磁波吸收性能调控

Si-B-C-N ceramic is usually amorphous or nanocrystalline, which has excellent electromagnetic wave absorption properties by added nano SiC or nano carbon , in addition to many outstanding performances such as high temperature and creep resistance, low density and heat expansion and low thermal conductivity et al. Therefore, Si-B-C-N ceramic is one of the prior developing ceremic material for electromagnetic wave absorption and cloaking at high temperature. Based on the chemical vapor deposition researches of binary and ternary ceramics in Si-B-C-N system and the technology advantage of low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), this project presents the method of using LPCVD method to prepare Si-B-C-N ceramic, and deposite nano SiC and nano carbon at the same time in order to accquire wave-absorbing function for Si-B-C-N ceramic. In this project, the research is focusd on the basic scientific issues like deposition thermaldynamic, kinetic and wave-absorbing mechanism, mastering the wave-absorbing property control rule of Si-B-C-N ceramic.The Si-B-C-N amorphous ceramic developed by this project will enrich the system of ceramic materials. And the research achievements will enrich the chemical vapor deposition and electromagnetic wave absorption theories of multiphase ceramics, in addition, the research methord can be extended to the chemical vapor deposition and function properties of other multiphase ceramics (like Si-B-Al-C et al.), which can promote research and applications of other multiphase ceramics.

Si-B-C-N陶瓷通常为非晶态或纳米晶，除了具有耐高温、抗蠕变、低密度、低热膨胀、低热导等优异的热结构性能外，通过添加纳米SiC、纳米碳等吸波剂可具有特别优异的电磁波吸收性能，成为高温隐身吸波领域的主要陶瓷材料之一。本项目基于Si-B-C-N体系内二元、三元陶瓷的研究基础和低压化学气相沉积（LPCVD）的技术优势，提出采用LPCVD法制备Si-B-C-N陶瓷，同时共沉积纳米SiC、纳米碳作为吸波剂，实现Si-B-C-N陶瓷的电磁波吸收功能。重点研究沉积热力学、沉积动力学和电磁波吸收机制等基础科学问题，掌握Si-B-C-N陶瓷的电磁波吸收性能调控规律。研制的Si-B-C-N陶瓷将丰富陶瓷材料体系。研究成果将丰富多相陶瓷的化学气相沉积和电磁波吸收理论，研究方法也可推广到其他多相陶瓷（如Si-B-Al-C等）的化学气相沉积和功能特性研究，促进其他多相陶瓷的研究和应用。

本项目针对航空航天领域高温结构隐身一体化陶瓷基复合材料需求，开展化学气相沉积制备SiBCN陶瓷的沉积机制和介电性能调控研究，成功合成了无定形或纳米晶结构SiBCN，掌握了沉积温度、H2稀释比、体系总压和反应气体比例对固相产物种类、分布区域和产物浓度的影响规律，揭示了SiBCN陶瓷分相弥散沉积的机制，对SiBCN陶瓷本身及引入SiCnw和G的SiBCN的介电和吸波性能调控，获得了吸波性能优异的SiBCN陶瓷，为进一步研发结构功能一体化SiC/SiBCN复合材料奠定了理论和工艺基础。研究发现：CH3SiCl3-NH3-BCl3-H2-Ar体系沉积的主要固相平衡产物是SiC、Si3N4、BN、B4C和C，低nNH3/(nNH3+nBCl3)有利于B4C的生成，低温高nNH3/(nNH3+nBCl3)比例有利于Si3N4生成。高H2稀释比和体系总压会促进B4C和SiC的生成，但不利于C的生成。当nCH3SiCl3/(nNH3+nBCl3) =1时，当沉积温度≥900 oC时会析出SiC纳米晶等，1700 oC热处理后，Si-B-C-N陶瓷中的C会和析晶产生的BN和Si3N4发生碳热还原生成B4C和SiC。当nCH3SiCl3/(nNH3+nBCl3) = 3.6时，900 oC下复相陶瓷的介电损耗达到0.387，最小RC可达-40dB。不同氮硼比下的Si3N4-SiBCN复相陶瓷均为低介低损材料；CVI-SiCnw/SiBCN复相陶瓷的RC最小值达-15 dB，有效带宽为2.88 GHz。GF/SiBCN复合材料以吸收屏蔽为主，总电磁屏蔽效能为19 dB左右，比屏蔽效能为29 dB·cm3/g左右，1700℃热处理之后，总屏蔽效能提高至25.5 dB，比屏蔽效能提高至40 dB·cm3/g。当氧化石墨烯含量为10wt.%时，RGO-SiBCN的最小RC为-34.56 dB; PDC-SiBCN陶瓷1700℃热处理后，最小反射系数为-46.73 dB，有效吸收带宽为3.32 GHz。本项目的成果对多元陶瓷的化学气相沉积机制、性能影响机制和调控方法等具有指导意义，研制的Si-B-C-N 陶瓷及其复合材料将丰富我国陶瓷基复合材料体系，可用于航空发动机高温雷达波隐身等领域，也可用于工业燃气轮机等高温、腐蚀、长寿命环境，还可用于超高温防热材料领域，具有广泛应用前景和重大经济效益。