聚硅氧烷热解CNTs/Si-O-C耐高温结构吸波材料性能研究

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结构吸波材料严苛的应用环境使其不仅需满足“薄、轻、宽、强”四个传统要求,同时需具备良好的热力学稳定性。Si-O-C陶瓷具有轻质,高温抗氧化和抗侵蚀等优点,与CNTs复合使得复合材料介电性能可调,但目前国内关于Si-O-C陶瓷作为高温结构吸波材料的研究较少。本文首先探索了热解温度和催化剂对先驱体聚合物转化(PDCs)生成的Si-O-C陶瓷吸波性能的影响;向Si-O-C基质中引入不同种类和掺量的CNTs,在CNTs均匀分散的前提下,研究了CNTs的掺量对CNTs/Si-O-C纳米复合材料的吸波性能和力学性能的影响;为进一步拓宽有效吸波频带宽度(EAB)和改善力学性能,研究外掺CNTs的长径比对CNTs/Si-O-C纳米复合材料的吸波性能和力学性能的影响。研究结果表明:加入1wt%FeCl3催化的聚硅氧烷(PSO)在不同温度下热解的Si-O-C陶瓷试样,在800-1200℃下,不定型Si-O-C基质内部原位生成一维CNTs,CNTs的含量随温度的升高而增加,当热解温度为1500℃时,基质内部发生碳热还原反应生成微球状和针状Si C,CNTs原位转化生成一维Si C纳米线,Si-O-C试样的吸波性能被明显改善。在1000℃时,试样的RLmin和EAB分别为-31.7 d B和4 GHz,在1500℃时,试样的RLmin为-58.37 d B,有效吸波频段覆盖整个X波段,并且RL≤-20 d B的频段宽度为3.8 GHz,意味着在此波段内,有≥99%的电磁波被吸收。在PSO与乙醇溶液中掺入不同种类CNTs,相对于普通CNTs和CNTs-OH,CNTs-COOH之间的强静电斥力和羧基与PSO的强结合力,使得CNTs-COOH能够在Si-O-C基质中均匀分散。CNTs/Si-O-C纳米复合材料的渗流阀值起点为7.5 wt%,其吸波性能和力学性能可被协同优化。改变CNTs-COOH的掺量,当CNTs掺量增加至7.5 wt%时,CNTs/Si-O-C纳米复合材料的RLmin和EAB分别为-60.4 d B和3.11 GHz(8.78~11.89GHz);当CNTs掺量从0.0增加至7.5 wt%和10.0 wt%时,CNTS/Si-O-C纳米复合材料的抗折强度从5.7 MPa分别增加至12.8 MPa和23.7 MPa。当Si-O-C基质中掺加5.0 wt%的炭黑和不同长度的CNTs时,均匀分散的炭黑颗粒之间被电导率较低的Si-O-C基质填充,导致其介电性能和吸波性能较差。而长度最大的CNTs可在基质中形成更为完整的导电网络,与800℃下热解的游离碳相结合使得试样的导电率大为提高,其电导损耗和偶极子极化损耗进一步提高,试样频散效应更为明显,RLmin和EAB分别为-30.2 d B和3.38 GHz;不同长度的CNTs增强Si-O-C试样由于CNTs拔出长度相近,其掺加数量相较于长度对Si-O-C试样的力学性能影响更为明显,因此长度最短的CNTs增强Si-O-C试样的抗折强度最大,为16.8 MPa。
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