陶瓷吸波材料研究进展及应用|163

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前言

吸波材料，是指能够吸收或衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换成热能耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料。按照吸波机理可以将吸波材料分为以下三类：

磁损耗型吸波材料
介电损耗型吸波材料
“双复”型吸波材料

陶瓷吸波材料属于介电损耗型吸波材料，具有承载和减少雷达波反射截面的双重功能，是功能与结构一体化的优良微波吸收材料，在导电、电磁屏蔽、反射与吸收、电子对抗中均有着特殊的优越性。在吸波性能上，与其它吸波材料相比，它具有质轻、频宽的特性。以碳化硅、碳化硅-碳纤维为代表的陶瓷纤维材料除了具有优良的吸波性能外，还具有硬度高、质量轻、高温强度大、热膨胀系数小、热传导率高、耐蚀、抗氧化等特点，是现在研究的热点方向。

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吸波机理

介电型材料的介电性能可通过相对复介电常数ε来表征。ε由介电常数实部ε'和介电常数虚部ε''组成，即ε=ε'-jε''。ε'反映了材料对入射电磁波的一次反射（即表面反射）能力，ε'越大表明一次反射越强；ε''反映了材料对进入其内的电磁波的损耗能力，即将电磁能转化为其他形式的能量的能力，ε''越大表明材料对电磁波的损耗越强。为了获得较好的吸收性能，材料应具有低的实部和高的虚部，以保证入射电磁波可进入材料内部并被消耗吸收。但通常随材料组分和环境的变化，介电常数实部和虚部的变化规律是相同的，即实部增大时虚部也增大，反之亦然。为此，引入介电损耗tanδ的概念，定义tanδ=ε''/ε'。实部越小且虚部越大，则介电损耗越大。因此材料的介电损耗越大说明吸波潜力越大。

单相匀质材料难以具备好的吸波性能。介电型材料存在阻抗失配问题，材料的介电常数与空气的介电常数差异过大，导致电磁波从空气入射到材料表面时发生强反射。因此吸波材料的介电常数应为一个适中的值，当材料介电常数实部和虚部分别约为7.3和3.3时，反射系数可达到最小值。为此需对材料进行合理的结构设计，使其复介电常数最大程度地接近目标值，以实现其吸波性能的优化。

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陶瓷吸波性能改进

现代先进陶瓷的制备方法主要有化学气相渗透（CVI）、聚合物转化陶瓷（PDC）和溶胶凝胶法（Sol-Gel）。制备的陶瓷可分为晶态和非晶态。晶态的陶瓷通常介电常数实部偏高，大部分入射电磁波在材料表面被反射，因此吸波效率不高。非晶态的陶瓷虽然介电常数实部较低，但其虚部往往也很低，对电磁波的衰减能力很弱，大部分的入射电磁波可穿过材料而继续传播，即表现为透波性，因此吸波效率也很低。目前改善陶瓷吸波性能的方法主要有两种：阻抗匹配层设计和纤维改性设计。

1、阻抗匹配层设计

阻抗匹配层设计，即为高介电常数的陶瓷制备低介电常数的阻抗匹配层，改善其与空气的阻抗匹配性，减少表面反射，从而提高材料的吸波性能。常用的阻抗匹配层制备方法有以下几种方法：

氧化法
CVI/CVD法
PVD法

这些方法适用于改善高介电常数材料的吸波性能。阻抗匹配层保证了弱的表面反射，即良好的阻抗匹配，同时高介电的原陶瓷基体充当了损耗相，使电磁波被损耗吸收。

氧化法

对非氧化物碳化硅陶瓷而言，通过表面氧化可在陶瓷表面形成一层氧化膜，当这种氧化膜具有低介电常数时即可充当阻抗匹配层。以多孔Si3N4 为基片，通过CVI 沉积SiC 得到Si3N4-SiC 复相陶瓷。由于CVI SiC 是一种半导体，具有较高的复介电常数，与空气的阻抗不匹配，因而吸波效率不高。为了改善其吸波性能，继而通过高温氧化法在CVI SiC表面制备出一层致密的SiO2，得到Si3N4-SiC/SiO2 复相陶瓷。由于SiO2 具有低的电导率和复介电常数，表面氧化制备的SiO2 层改善了CVI SiC 与空气的阻抗匹配性，使更多入射电磁波进入材料内部，从而被内部的高介电常数相损耗吸收，从整体上表现为材料吸波性能的提高。

CVI/CVD法

SiC陶瓷具有高的介电常数，是电磁波的强反射体，而BN 具有很低的介电常数和介电损耗。因此，可在SiC陶瓷表面制备BN 阻抗匹配层，从而降低SiC 纤维对入射电磁波的反射，提高其吸波性能。类似地，在多孔Si3N4 基片上通过CVI法得到的PyC-Si3N4 复相陶瓷，由于PyC的介电常数高，与空气阻抗失配，因此在其表面通过CVD 法制备低介电常数的Si3N4 层作为阻抗匹配层。Si3N4层因降低了PyC对入射电磁波的一次反射而使PyC-Si3N4 复相陶瓷的吸波性能得到改善。

PVD法

Kim等人通过磁控溅射法（PVD）在具有高介电常数的铁电体表面制备了具有低介电常数的ITO（In2xSnxO3）涂层，涂层厚度为入射波长的1/4。当薄层电阻为 377Ω/sq 时反射系数最小值达到了-20dB。可见ITO 涂层有效改善了陶瓷与空气的阻抗匹配程度，使其电磁吸收性能得到了很大的提高。

2、碳化硅纤维改性

目前，碳化硅陶瓷吸波材料的应用形式多以碳化硅纤维为主，即吸收层是由碳化硅纤维组成。碳化硅纤维最初是由日本东北大学教授矢岛圣使在1975年采用先驱体转化法制备的。具有强度高、可编织性强、密度低、高温力学性能高、高温抗氧化等优点，被广泛用于陶瓷基复合材料的增强相。作为高温吸收剂，碳化硅纤维具有长径比高、化学成分容易控制等优点。碳化硅介电常数的虚部在一定程度上代表了物质对电磁波损耗能力的大小。正交排布的碳化硅纤维构成一个平面导电网络，在入射电磁波的作用下，产生感应电流，通过欧姆损耗（或涡流损耗）将电磁波能量转化为热能而损耗掉。

普通碳化硅纤维是一种典型的n型半导体，其电阻率较高，是透波材料。为了使陶瓷纤维能适应更高的电磁损耗的要求，对其进行掺杂改性和表面改性。科研人员对碳化硅纤维吸收剂进行了较多研究，提出了以下几种改善碳化硅纤维吸波性能的途径：

高温处理法

Nicalon SiC纤维的烧成温度为1250～1300℃。这种纤维经1400℃高温处理后，网络中会析出更多的游离碳粒子，使纤维的电阻率大大降低、介电损耗增加，从而具有一定的吸波性；但SiC纤维内部的O会与Si、C等元素反应，生成CO、SiO等小分子气体，使纤维的质量损失率达到20%～30%，力学性能严重下降，从而失去其作为复合材料增强剂的应用价值。NicalonSiC纤维的电阻率随热处理条件的变化见图1。由图1可知，电阻率随着热处理时间的延长、热处理温度的上升而降低[16]。

表面处理法

在碳化硅纤维表面涂覆含介电损耗树脂或沉积导电层（如碳层、镍层），可以降低其电阻率。法国的E.Mouchon等人利用表面涂覆富碳层的Nicalon SiC纤维与Nasicon复合，制成陶瓷结构吸波材料，此材料具有良好的力学性能和耐高温性能。

罗发等人用化学气相渗透法在Nicalon SiC纤维表面沉积碳层，沉积厚度为2.5μm。涂碳后的Nicalon SiC纤维的介电性能见表1。由表1可知，涂碳后纤维的ε'变大，而ε''减小了。

程海峰等人采用化学法在碳化硅纤维表面镀上1～5μm厚的镍层，使其具有一定的吸波性。结果发现，镀镍只能调节碳化硅纤维的复介电常数，而不能显著提高其复磁导率。进一步的研究发现，单纯镀一种金属层达不到很好的效果。通过表面化学镀Fe-Cu合金，可以调节碳化硅纤维的电磁参数。将镀Co-Fe合金的碳化硅纤维进行热处理后发现，氧化处理可以降低其复介电常数和复磁导率。

杨孚标等人采用化学气相沉积法在连续碳化硅纤维表面沉积B4C涂层。碳化硅纤维的体积电阻率从涂B4C前的106Ωcm大幅降到涂B4C后的0.3～0.7Ωcm，但随B4C层厚度的变化较小，即体积电阻率的可调幅度有限，由表2可知，在X-波段材料的介电参数ε'、ε''随着频率的升高而显著降低，而tanδ大于1，是一种频散效应好、电损耗大的材料，可用作结构吸波材料的增强材料。

掺杂异元素法

掺杂异元素法的原理是通过在SiC纤维内掺杂一些具有良好导电性的元素或物相，调节SiC纤维的介电损耗和吸波能力。

王军等人在PCS中掺混纳米Ti、Ni粉，并制成碳化硅纤维。结果发现，随着Ti、Ni含量的增加，碳化硅纤维的复介电常数及tanδ均增大，复磁导率与Nicalon SiC纤维相近；通过阻抗匹配，在8～18GHz范围内的反射衰减在8dB以上，最大可达21.6dB，大于10dB的带宽为5.6GHz。加入质量分数为1～5%的纳米Ni，碳化硅纤维的电阻率可调节至100～103Ωcm，此时碳化硅复合纤维仍能保持较高的拉伸强度。但随着Ti、Ni含量的增加，SiC纤维在电阻率下降的同时，其拉伸强度也在下降。

T. Yamamura等人在先驱体合成过程中，采用Ti(OR)4、Zr(OR)4等有机金属化合物与聚硅烷同时热解，制得Ti、Zr含量高的聚钛（锆）碳硅烷。由其制成的纤维的电阻率为100～103Ωcm，且连续可调；对8～12GHz范围内的雷达波的反射衰减大于15dB，最高为40dB，拉伸强度2.5～3.1GPa，是一种较好的吸波材料碳化硅。

宋永才等人发现，随着Ti含量的提高，含钛SiC纤维表现出良好的吸波性能，纤维强度为1.5～2.0GPa。另外，吴晓光等人将PCS与含Fe、Co、Ni等的有机金属络合物反应，制得含金属的先驱体；并尝试制成碳化硅纤维，结果熔融纺丝非常困难，不能进行连续纺丝，所制成的陶瓷纤维拉伸强度仅0.5～0.9GPa。

改变纤维截面形状法

用非圆形（棱角的方形或三角形横截面）特种纤维与玻璃纤维混杂编织成的三向织物就象微波暗室结构一样，有许许多多微小的锥角，具有良好的吸波性能。

王应德等人以PCS为原料，采用熔融纺丝法制成三叶形、C形等非圆形截面PCS纤维后，经不熔化和烧成处理，制得非圆形截面碳化硅纤维。

不同截面形状的SiC纤维

研究发现，不同截面形状的非圆形截面碳化硅纤维表现出不同程度的吸波性能。与相同当量直径的圆形纤维相比，三叶形碳化硅纤维的拉伸强度平均提高约30%，电阻率为103～104Ωcm，ε'、μ'、μ''值基本相当，但ε''值为圆形碳化硅纤维的30～60倍，tanδ最大为1.9左右；ε'、ε''和tanδ均随频率增大而减小。根据阻抗匹配原理对三叶形碳化硅纤维增强的吸波材料进行设计，所制备的三层（厚度分别为1.5mm、1.5mm、1.0mm）结构吸波材料的总厚度为4mm，从外到里每层纤维的tanδ由低到高。在X波段的总衰减大于10dB、最大反射衰减为19.8dB时，表现出较好的吸波性能。值得指出的是，由于截面形状的改变，非圆形截面碳化硅纤维与基体的复合性能与一般的圆形碳化硅纤维相比有较大提高。

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主要应用

陶瓷吸波材料具有低密度、高温性能稳定、优异的辐照稳定性，在航空、航天等领域具有广泛的应用前景。

法国ADE公司研制的AlkardSC陶瓷吸收体是一种以碳化硅为主体的掺杂体系，其最高使用温度为1000℃，并可机械加工，在35GHz频带内反射率从-10dB线性下降。

法国SEP公司制造的C/SiC复合材料喷瓣、尾喷管调节片已用在阵风战斗机的M88SNEMA发动机和幻影2000战斗机的M53发动机上。

阵风战斗机幻影2000战斗机

洛克希德公司在F-117隐身飞机的研制中，采用陶瓷基材料制备的结构吸波材料，加在尾喷管的后沿可承受高达1093℃的高温。

F117隐身飞机

法国马特拉防御公司开发的1000℃高温陶瓷基材料，可以用作亚音速导弹某些部位的面层，如喷管或进气道，这种材料已制成多层的砖块形状，可用来包覆导弹上承受强烈热应力的尾部壳体。

20世纪80年代，法国率先研制出牌号为CERASEPR系列的SiC/SiC陶瓷复合材料，并成功应用M88-2发动机喷管外调节片和F100型发动机调节片上。

F88-2发动机 F100发动机调节片

SiC/SiC陶瓷复合材料目前已经成功应用于F110-GE-129发动机尾喷管、F136发动机涡轮叶片、F414发动机和CFMLEAPX发动机涡轮壳环等构件。

主要参考文献：

[1] 孙晶晶，李建保，张波，等. 陶瓷吸波材料的研究现状[J]. 材料工程，2003(2):43-47.

[2] 张亚君，殷小玮，张立同等. 吸波型SiC陶瓷材料的研究进展[J]. 航空制造技术，2014，450(6):113-118.

[3] Yang Y, Gupta M C, Dudley K L, et al. Novel carbon nanotube polystyrene foam composites for electromagnetic interference shielding[J]. Nano letters, 2005, 5(11): 2131-2134.

[4] Hu H L, Yao D X, Xia Y F, et al. Fabrication and mechanical properties of SiC reinforced reaction-bonded silicon nitride based ceramics[J]. Ceramics International, 2014, 40(3): 4739-4743.

[5] Cao M, Qin R, Qiu C, et al. Matching design and mismatching analysis towards radar absorbing coatings based on conducting plate[J]. Materials & design, 2003, 24(5): 391-396.

[6] Cao M, Zhu J, Yuan J, et al. Computation design and performance prediction towards a multi-layer microwave absorber[J]. Materials & design, 2002, 23(6): 557-564.

[7] Cao M, Zhu J, Yuan J, et al. Simulation of multiple composite coatings based on conducting plate and investigation of microwave reflectivity[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2002, 34(6): 442-445.

[8] Qing Y, Zhou W, Luo F, et al. Optimization of electromagnetic matching of carbonyl iron/BaTiO3 composites for microwave absorption[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2011, 323(5): 600-606.

[9] 王应德，刘旭光，姜勇刚等. 几种异形碳化硅纤维制备及其吸波性能[J]. 功能材料信息，2011(2):20-24.

[10] 邱海鹏，陈明伟，谢巍杰. SiC/SiC陶瓷基复合材料研究及应用[J]. 航空制造技术，2015，483(14):94-97.

[11] Narisawa M, Itoi Y, Okamura K. Electrical resistivity of Si-Ti-CO fibres after rapid heat treatment[J]. Journal of materials science, 1995, 30(13): 3401-3406.

[12] 谢根生，姜勇刚，刘旭光等. 具备雷达吸波功能的碳化硅纤维的研究进展[J]. 有机硅材料，2006，20(3):144-148.

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