TiC和SiC納米材料的制備及微波吸收性能研究.pdf

1、隨著電子設(shè)備和無線通訊的快速發(fā)展，電磁干擾和輻射污染問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們生活和國(guó)家安全，尤其是雷達(dá)波隱身技術(shù)已經(jīng)成為軍事戰(zhàn)略的制高點(diǎn)之一。目前，電磁波吸收材料的研究依然立足于傳統(tǒng)的吸波材料，對(duì)于新型吸波材料的研究開發(fā)明顯不足，特別是高溫和高頻段的微波吸收材料。因此，研究新型微波材料不僅對(duì)豐富和擴(kuò)大吸收材料的種類和應(yīng)用領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)意義，還具有較高的理論價(jià)值。
　　基于多重微波損耗機(jī)制，納米吸波材料顯示出優(yōu)良的微波吸收性能。作為典型

2、的無氧陶瓷，TiC和SiC具有高熔點(diǎn)、低密度、良好導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性等特性，結(jié)合這些優(yōu)異的特性和納米結(jié)構(gòu)使得TiC和SiC納米材料成為潛在的微波吸收材料。本論文以納米材料的制備和應(yīng)用為背景，采用氯氣輔助碳熱還原反應(yīng)法、熱化學(xué)反應(yīng)法和納米鑄造法，分別系統(tǒng)地研究了TiC納米線、TiC納米顆粒/Ti和有序內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)SiC/SiO2納米材料的可控制備及其微觀結(jié)構(gòu)，并分析了它們?cè)赬波段(8.2~12.4 GHz)的室溫和高溫微波吸收

3、性能和相應(yīng)的損耗機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下：
　　(1)研究了以氯氣輔助碳熱還原法制備 TiC納米線。研究表明，以Ni(NO3)2·6H2O為催化劑、NaCl為輔助劑、蔗糖為碳源和TiO2納米粉為Ti源，成功制備了面心立方結(jié)構(gòu)的單晶TiC納米線，其長(zhǎng)徑比和比表面積分別為80~100和186.7 m2/g。TiC納米線的初始生長(zhǎng)機(jī)理為VSL機(jī)理，并給出了可能的化學(xué)反應(yīng)方程式。
　　(2)以丙酮為碳源，研究了在金屬Ti顆粒表面

4、原位生長(zhǎng)TiC納米顆粒。結(jié)果表明，當(dāng)載氣Ar流量為50 ml/min，通過鼓泡方式攜帶0 ℃的丙酮進(jìn)入反應(yīng)腔體，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間分別為800℃和2.0 h時(shí)，大小約為300 nm的TiC納米顆粒均勻且稠密地分布在金屬Ti顆粒表面，其晶體結(jié)構(gòu)為多晶面心立方結(jié)構(gòu)，晶粒大小約為8.0 nm。熱力學(xué)計(jì)算表明，丙酮在高溫下熱解產(chǎn)生的小分子氣體CHx優(yōu)先與Ti發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)得到TiC。
　　(3)以聚碳硅烷(PCS)和有序介孔氧化硅SBA-

5、15為前驅(qū)體和硬模板，采用納米鑄造和冷壓成型工藝制備有序內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)SiC/SiO2塊體陶瓷復(fù)合材料。結(jié)果表明，PCS轉(zhuǎn)化生成的SiC納米顆粒幾乎完全填滿了有序介孔SBA-15的納米孔道。復(fù)合材料的結(jié)晶度隨著反應(yīng)溫度的升高而增大，其晶型為β-SiC。在反應(yīng)溫度不高于1400 ℃時(shí)，SiC/SiO2復(fù)合材料不僅能夠保持有序內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)，而且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。
　　(4)詳細(xì)表征了TiC納米線、TiC納米顆粒/Ti和有序填充結(jié)構(gòu)Si

6、C作為吸波劑與石蠟或SiO2的復(fù)合材料在X波段的常溫和高溫微波吸收性能。結(jié)果表明，在常溫環(huán)境中，摻比量為30 wt％的TiC納米線與石蠟混合材料具有最強(qiáng)的吸收強(qiáng)度：厚度為1.7 mm時(shí)，其最小反射損耗約為-51.0 dB；而1400 ℃制備的SiC/SiO2復(fù)合材料顯示出最大的吸收寬度：厚度為3.0 mm時(shí)，有效吸收寬度(RL<-10 dB)覆蓋整個(gè)X波段。在高溫環(huán)境中，摻比量為7.5 wt%的TiC納米線/SiO2復(fù)合材料在300 ℃

7、具有最強(qiáng)的吸收強(qiáng)度：厚度為3.0 mm時(shí)，最小反射損耗數(shù)值為-61.0 dB；而1300 ℃制備的SiC/SiO2復(fù)合材料具有優(yōu)異的吸收寬度，在25~500 ℃范圍內(nèi)始終存在一個(gè)匹配的厚度，使其有效吸收寬度(RL<-10 dB)為整個(gè)X波段。
　　(5)研究了上述三種材料的微波損耗機(jī)理，結(jié)合四分之一波長(zhǎng)定律和阻抗匹配定律分析了單層吸收體的微波吸收性能。結(jié)果表明，三種材料優(yōu)異的吸收性能主要源于多重?fù)p耗機(jī)制：長(zhǎng)徑比較大的TiC納米線分