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SiC包覆改性碳质纤维复合材料的制备及吸波性能研究

张路平  
【摘要】:近年来,随着无线通讯和电子设备的广泛使用,电磁辐射污染日益严重。恶化的电磁环境不仅会影响人类的健康,而且会干扰电子仪器设备的正常工作。因此,具有薄厚度、低密度、宽频带、强吸收、耐高温等优良性能的新型吸波材料的研发迫在眉睫。SiC涂覆碳质纤维复合材料充分利用了纤维优异的高温力学性能和SiC的优异介电性能,在日常电子设备和军事战略武器等方面具有广泛的应用前景,是目前最有发展前途的高温结构功能一体化吸波材料之一。本文以Si粉为硅源,葡萄糖为碳源,采用水热反应–高温烧结两步法在碳质纤维表面合成不同结构和厚度的SiC涂层,最终制得碳质纤维/SiC复合吸波材料。研究了催化剂种类、硫脲含量、烧结温度和MoSi_2增强相等对复合吸波材料结构及性能的影响。(1)首先,以碳纤维为原料,分别以Fe、Ni为催化剂,通过高温烧结法合成了C_f/SiC复合材料。结果发现,以Ni为催化剂的C_f/SiC复合材料(C_f/SiC–II)的C_f表面覆盖的SiC纳米线较疏松且分布不均匀;材料厚度为1.5 mm时,在8.20GHz处最小反射损耗为–14.61 dB,有效吸收带宽仅为0.23 GHz。以Fe为催化剂的C_f/SiC复合材料(C_f/SiC–I)的C_f表面紧密包裹大量SiC阵列,分布均匀,有序排列;材料厚度为1.3~1.8 mm时,最小反射损耗均小于–20 dB,最小值为–40.65dB,有效吸收带宽最大可达2.42 GHz,极大地改善了复合材料的结构和吸波性能。(2)然后,仍以碳纤维为原料,先采用水热法在碳纤维表面生成MoS_2反应中间相,再将其浸泡于葡萄糖溶液,以Ni为催化剂通过高温烧结法在不同烧结温度和硫脲含量下制备了C_f/MoSi_2/SiC复合材料。结果表明,烧结温度低于1450℃的碳纤维表面紧密包裹Si层,基本没有生成SiC,但在1450℃烧结形成的SiC纳米线致密且分布均匀,当硫脲含量为93%,材料厚度为1.5 mm时,在12.40 GHz处最小反射损耗为–19.10 dB,有效吸收带宽仅为0.78 GHz;厚度为2.0 mm时,在9.10 GHz处最小反射损耗降至–34.14 dB,有效吸收带宽增加到2.18 GHz(8.20~10.38 GHz),可在较薄的厚度下实现最小反射损耗和最大吸收带宽,吸波性能更优异。(3)最后,用竹原纤维代替碳纤维,通过水热反应–高温烧结两步法在不同硫脲含量下成功制备了竹原纤维/MoSi_2/SiC复合材料。竹原纤维表面都均匀覆盖一层结合紧密的SiC涂层,并随硫脲含量增加,SiC由颗粒状逐渐生长为纳米线状。硫脲含量为87%制备的竹原纤维/MoSi_2/SiC复合材料在厚度为2.5 mm时,在10.76GHz处获得最低反射损耗–18.09 dB,有效吸收带宽为1.89 GHz(9.37~11.26 GHz)。


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