碳纤维表面原位生长SiC纳米线阵列设计及吸波性能研究

基于申请人发现的在含硅气氛条件下，碳纤维表面可以大规模原位生长碳化硅纳米线阵列这一重要实验现象，探索基于碳纤维/碳化硅纳米线的电磁波吸收剂设计乃至在此基础上制备具有承载和吸波双重功能的SiC纳米线阵列结构吸波材料。弄清熔体的硅含量以及碳纤维的形貌、织密度、织物到熔体表面的距离、反应温度和时间、掺杂的铁族金属元素等对碳化硅纳米线阵列的晶相、长度、直径、形貌和微观结构的影响规律。阐明碳纤维表面掺杂的铁族金属元素、碳化硅纳米线阵列的长径比、直径大小、形貌结构、排列方式等对碳纤维/碳化硅纳米线电磁参数及其吸波性能的影响规律，弄清碳化硅纳米线阵列的吸波机理，并在此基础上研究不同铺排方式、间距和层数的碳纤维/碳化硅纳米线结构材料的吸波性能。这些研究为将来基于纳米线的新型结构吸波材料的开发以及在国民经济和国防领域的应用提供科学依据和实践基础。

电磁屏蔽与吸波材料的研究对于解决电磁污染问题具有十分重要的意义。本项目发展了一种碳纤维布表面原位生长碳化硅纳米线阵列的方法，研究发现，金属硅熔体的成分及硅饱和蒸气压、生长温度对碳化硅纳米线的形貌、微观结构及取向有重要的影响。在高温下，生长出的针尖状碳化硅纳米线是立方相，表面有大量“之”字状小面，这些由准周期的孪晶调制而成的小面由于纳米线在气-液-固生长过程中表面能最小化而致。碳化硅纳米线/碳纤维布具有优异的场发射性能。通过引入熔融的钠盐，利用碳纳米管作为模板，实现了较低温度下碳化硅纳米线的生长。在此基础上，研究了碳化硅纳米线的吸波性能，含有30 wt%的碳化硅纳米在11.2 GHz实现17.4 dB的反射吸收，且反射损耗小于10 dB的频率区间接近2.4 GHz，其微波吸收主要是通过极化引起的介电损耗引起。通过进一步优化实验条件，实现了碳化硅纳米线阵列在碳纤维布的大规模、高密度生长，含有30 wt%碳化硅纳米线/碳纤维厚度为2 mm时，在7.7 GHz的频率下，其反射损耗可达21.8 dB。