碳化硅（SiC）作為當(dāng)前研發(fā)較為集中的第三代半導(dǎo)體材料，在電磁波吸收領(lǐng)域同樣具有巨大的發(fā)展前景，它具有電阻率可調(diào)、抗熱震性、密度小、熱膨脹系數(shù)低、抗沖擊性好等優(yōu)點(diǎn)，在800℃以上的耐高溫性能更是顯著優(yōu)于鐵磁和碳基吸波材料。近年來，學(xué)者還發(fā)現(xiàn)碳化硅的吸波性能會隨著溫度的升高而逐步增強(qiáng)，基于以上優(yōu)勢，碳化硅成為潛在的高性能、耐高溫吸波材料。然而，碳化硅主要是依靠介電損耗來吸收電磁波的，其本身復(fù)介電常數(shù)、損耗角正切不高，而且導(dǎo)電損耗低，幾乎不具備磁損耗能力，使得它的電磁波吸收性能低于很多金屬基和碳基吸波材料，因此目前常用形貌調(diào)控和復(fù)合形式來提升碳化硅的吸波性能。本篇，小編將為大家介紹不同形貌的碳化硅基材料在電磁波吸收領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。

（圖源：深圳市卓立創(chuàng)科技有限公司）

不同形貌的材料具有不同的性能和應(yīng)用潛力，對碳化硅表面形貌進(jìn)行調(diào)控，可以得到所需的吸波性能，也可以進(jìn)一步深化吸波材料輕質(zhì)化目標(biāo)。目前常見的碳化硅吸波材料的形貌有纖維結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)、金屬-有機(jī)框架（MOFs）結(jié)構(gòu)等。

1、纖維結(jié)構(gòu)：纖維由于具有獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)，使得其在電子運(yùn)輸、光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)等方面擁有有別于粉體材料的特異性能，同時，它比傳統(tǒng)的塊體結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)良的理化性能，如低密度、耐高溫、抗腐蝕、良好的機(jī)械強(qiáng)度等。因此，納米纖維成為一種非常有發(fā)展前景的高性能、多功能吸收劑，有望實(shí)現(xiàn)“薄、寬、輕、強(qiáng)”的綜合要求。碳化硅納米線（SiCNWs）具有低密度、比面積大、熱機(jī)械性能優(yōu)越、電性能可調(diào)、耐高溫、抗氧化等特點(diǎn)，在電磁波吸收領(lǐng)域也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。目前制備吸波型碳化硅納米線主要運(yùn)用碳熱還原法、氣相沉積法、聚合物前驅(qū)體熱解法、靜電紡絲法。

應(yīng)用：

（1）Li等以聚碳硅烷（PCS）為前驅(qū)體，采用靜電紡絲和熱解技術(shù)制備了柔性碳化硅納米線膜，該材料在石蠟基質(zhì)中含量為10wt%時，具有良好的介電損耗性能，最小反射損耗為?41dB，有效吸收帶寬（有效吸收帶寬）為5GHz，這表明三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效地強(qiáng)化極化效應(yīng)，提升介電損耗性能。該材料具有低填充比、高效吸波的特點(diǎn)，還具有制備簡單的優(yōu)點(diǎn)。

（2）Gao等采用前驅(qū)體滲透和燒結(jié)（PIS）工藝制備了碳化硅纖維/莫來石-二氧化硅復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)碳化硅纖維摻雜后，該復(fù)合材料在8.2-12.4GHz的微波吸收性能顯著增強(qiáng)。當(dāng)匹配厚度為2.9mm時，在12GHz處實(shí)現(xiàn)最小反射損耗為?44dB，同時，Gao等還探究了制備條件對碳化硅纖維/鉬復(fù)合材料力學(xué)、介質(zhì)和微波吸收性能的影響。結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的升高，彎曲強(qiáng)度從81MPa提高到213MPa。碳化硅纖維/鉬獲得了優(yōu)異的電磁波吸收性能，在12GHz時最小反射損耗為?38dB，厚度為2.9mm，有效吸收帶寬覆蓋了8.2-12.4GHz的整個頻率范圍。

碳化硅纖維吸波材料是一種良好輕質(zhì)化柔性吸波材料，不僅可以作為吸波基體材料，還可以作為其他吸波材料中的增強(qiáng)相。然而，碳化硅纖維吸波材料的性能與其纖維直徑、厚度、形貌等因素息息相關(guān)，進(jìn)一步探索纖維結(jié)構(gòu)與吸波性能之間的關(guān)系對指導(dǎo)高性能碳化硅纖維吸波材料的制備具有重要意義。

柔性碳化硅納米線膜的制備工藝（圖源：文獻(xiàn)1）

2、中空結(jié)構(gòu)：中空結(jié)構(gòu)形成了較大的空腔，可以使電磁波在空腔內(nèi)部產(chǎn)生多次反射和散射，密度較低，可以滿足材料輕質(zhì)化的需求。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，中空結(jié)構(gòu)材料具有更大的比表面積和孔隙率，可以有效提高電磁波的吸收率。目前常見的中空碳化硅吸波材料有中空球狀、中空管狀及中空泡沫結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用：

（1）Zhou等以酵母為生物模板，制備了酵母微形態(tài)的β結(jié)晶空心碳化硅，最大直徑約4.3mm，最小直徑約3.5mm。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厚度為3.1mm時，空心碳化硅在12.08GHz處實(shí)現(xiàn)最小反射損耗為?51.74dB，當(dāng)厚度為4.0mm時，有效吸收帶寬為6.05GHz。這是因為中空球形結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了吸收劑粒子的重量，有效地改善了阻抗匹配特性，提高電磁波的衰減性能。將中空結(jié)構(gòu)與多孔結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不僅可以提升吸波性能，還可以強(qiáng)化材料的力學(xué)性能。理論上，吸波材料中豐富的孔隙結(jié)構(gòu)會增加電磁波在孔洞中的反射和散射次數(shù)，從而提升電磁吸收與損耗效率，該結(jié)構(gòu)還可以提供更多的極化中心，強(qiáng)化極化效應(yīng)，從而改變電磁波的傳輸路徑，增加通過干涉耗散電磁波的概率。

（2）Ye等使用化學(xué)氣相沉積和直接氧化法，制備了具有雙互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的中空碳化硅泡沫材料，該材料在17.51%的應(yīng)變下，具有優(yōu)越的壓縮14.09MPa的響應(yīng)，此外，當(dāng)厚度為4.85mm時，其在6GHz處實(shí)現(xiàn)最小反射損耗為?50.75dB。

總得來說，中空結(jié)構(gòu)具備輕質(zhì)吸波的特性，其特殊的中空結(jié)構(gòu)雖然可以有效增強(qiáng)材料的吸波性能，但是其制備工藝較為復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)的低成本、高效率的可控制備是重難點(diǎn)問題。

中空碳化硅微管的形成機(jī)理和電磁波吸收機(jī)理（圖源：文獻(xiàn)2）

3、核殼結(jié)構(gòu)：核殼結(jié)構(gòu)是以球形或其他形狀的微粒為核，在表面包裹殼層形成的復(fù)合材料，這種結(jié)構(gòu)能增加空間電荷極化，提高材料介電損耗能力。與傳統(tǒng)吸波材料相比，核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合吸波材料可以通過復(fù)合不同特性的材料以提高材料的阻抗匹配特性，進(jìn)而改善材料的吸波性能，同時核殼結(jié)構(gòu)材料還可以通過改變核殼層材料配比、微觀形貌、核殼尺寸等提高材料的吸波性能。目前，常見的核殼碳化硅吸波材料有核殼纖維結(jié)構(gòu)與核殼球形粒子結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用：

（1）王偉超等以硅單質(zhì)和功能化多壁碳納米管（CNTs）為原料，采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備CNTs@SiC同軸核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合吸波材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅單質(zhì)和功能化多壁碳納米管質(zhì)量比為1:1.5，厚度為1.7mm的情況下，其有效帶寬達(dá)到4.8GHz，同時該材料還具備良好的耐高溫與抗氧化性能。碳化硅不僅可以作為殼層材料，提升材料的高熱穩(wěn)定性，還可以作為核層材料以強(qiáng)化損耗機(jī)制。

（2）Xiang等使用自組裝技術(shù)和碳熱還原法，制備了多孔的SiC/SiO₂核殼狀微球，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱處理溫度為1400℃時，多孔非均勻SiC/SiO₂微球表現(xiàn)出最優(yōu)良的電磁波吸收性能；在8.99GHz時，最小反射損耗為?54.68dB，最大有效帶寬達(dá)到8.49GHz。

傳統(tǒng)的核殼球形粒子結(jié)構(gòu)吸波材料的極化效應(yīng)仍有進(jìn)一步提升的空間，可以通過多方式進(jìn)一步提升核殼球形碳化硅吸波材料的吸波性能。一方面可以通過造孔方式，進(jìn)一步提升其比表面積。另一方面可以在中空球形結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的核殼包覆，實(shí)現(xiàn)不同損耗的復(fù)合。總之，核殼結(jié)構(gòu)多為多組分材料，其比單一材料具備更加優(yōu)良的吸波性能，但是多層核殼結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)也增加了制備的成本和難度。此外，如何基于吸波機(jī)理開發(fā)新構(gòu)型的核殼結(jié)構(gòu)值得進(jìn)一步探索。

SiC/SiO2核殼納米線結(jié)構(gòu)圖和吸波性能圖（圖源：文獻(xiàn)3）

4、金屬-有機(jī)框架（MOFs）：MOFs是一類由金屬節(jié)點(diǎn)為次級構(gòu)造單元（SBUs）與有機(jī)配體通過配位自組裝方式，形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無機(jī)雜化多孔晶體材料，具有結(jié)構(gòu)多樣性、超高的比表面積及良好的結(jié)構(gòu)可調(diào)性，在吸波領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。通過控制MOF前驅(qū)體的組成、合成條件和后處理過程可以有效調(diào)節(jié)其微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，進(jìn)而精確控制材料的電磁性能。MOFs結(jié)構(gòu)為規(guī)則的多面體粒子，MOFs及其衍生物普遍具有較低的長徑比，從而導(dǎo)致基體中的連通性不足，這不利于進(jìn)一步增強(qiáng)吸波性能，而基于碳化硅納米線的MOFs結(jié)構(gòu)，可有效地解決這一問題。

應(yīng)用：

（1）Zhang等在一維碳化硅納米線（SiCNWs）表面生長了一種共基的MOF結(jié)構(gòu)材料，并合成了一種烤肉狀的MOFs/SiCNWs雜化納米結(jié)構(gòu)，其與純SiCNWs和純煅燒的MOFs相比，在空氣和氬氣下煅燒的MOFs/SiCNWs均表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的電磁波吸收能力，該材料在匹配厚度為2mm時，有效吸收帶寬可達(dá)5.92GHz。這源于其擴(kuò)大了長寬比，改善了材料內(nèi)部的連通性，降低了復(fù)雜的介電常數(shù)，導(dǎo)致更多的電磁波進(jìn)入材料，從而增強(qiáng)了其界面極化性能。

（2）Yang等采用碳化硅納米顆粒和鎳（Ni）基金屬有機(jī)框架（Ni-MOF）在氬氣中退火，制備了由碳化硅、Ni、一氧化鎳和碳納米顆粒（NPs）組成的多組分復(fù)合材料。與單個碳化硅NPs和Ni-MOF組分相比，SiC/Ni/NiO/C納米復(fù)合材料具有更加高效的電磁波吸收性能（EWA），當(dāng)材料匹配厚度為4.0mm時，在13GHz處實(shí)現(xiàn)最小反射損耗為?50.52dB。

大部分MOFs衍生吸波材料的結(jié)構(gòu)主要取決了MOFs自身的結(jié)構(gòu)，如何進(jìn)一步加強(qiáng)對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計并進(jìn)一步探索其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系有待進(jìn)一步深入研究。同時，如何實(shí)現(xiàn)MOFs結(jié)構(gòu)在低頻和寬頻吸波性能的提升也面臨著一定的挑戰(zhàn)。

基于SiC_NMS的MOFs結(jié)構(gòu)的制備示意圖與微觀形貌圖（圖源：文獻(xiàn)1）

5、多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)：氣凝膠材料是一種具有納米多孔結(jié)構(gòu)的新型功能材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了其低密度、高孔隙率、高比表面積、低熱導(dǎo)率、低聲傳播速度等特性。這些特性使氣凝膠在吸波領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢，低密度可以讓獲得的氣凝膠吸波材料更輕，滿足輕質(zhì)化需求；高孔隙率可以更容易實(shí)現(xiàn)電磁波和材料的阻抗匹配，減少電磁波反射，使電磁波盡可能的進(jìn)入到材料內(nèi)部；三維多孔結(jié)構(gòu)會使電磁波內(nèi)部發(fā)生更多的反射、折射、干涉抵消，實(shí)現(xiàn)對電磁波的多重吸收，有利于增強(qiáng)材料的電磁波吸收性能。碳化硅氣凝膠作為一種典型的陶瓷類氣凝膠，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小和紅外遮蔽效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為潛在的、可以對抗復(fù)雜環(huán)境的電磁吸波材料。

應(yīng)用：

（1）哈爾濱工業(yè)大學(xué)王志江團(tuán)隊使用碳熱還原法制備了氧化石墨烯衍生的碳化硅氣凝膠，結(jié)果表明，氧化石墨烯氣凝膠可以很好地轉(zhuǎn)化為超低密度的碳化硅氣凝膠，該材料具有低密度和寬吸波帶寬的優(yōu)點(diǎn)，有效吸收帶寬可達(dá)5.5GHz；此外，為了降低碳化硅制備成本，該團(tuán)隊還以生物質(zhì)茄子為前驅(qū)體，通過冷凍干燥、高溫碳化和碳熱還原步驟制備了生物質(zhì)衍生碳化硅基氣凝膠，該樣品最小反射損耗可達(dá)?43dB，在2.0mm厚度時，其有效吸波帶寬為4.0GHz。碳化硅氣凝膠的電磁波損耗機(jī)制應(yīng)來自于其特殊的多孔結(jié)構(gòu)、良好的阻抗匹配、界面極化、缺陷誘導(dǎo)的偶極子極化以及局部形成的微電流。將柔性納米纖維作為基體，構(gòu)筑三維纖維氣凝膠可在一定程度上克服傳統(tǒng)氣凝機(jī)械性能較差的缺點(diǎn)，同時可以進(jìn)一步減輕材料質(zhì)量，符合目前吸波材料的發(fā)展趨勢。

（2）Du等人以細(xì)菌纖維素為支架，制備了碳納米纖維(CNF)和SiC-CNF氣凝膠薄膜，所制備的氣凝膠薄膜具有良好的微波吸收和低導(dǎo)熱性能。結(jié)果表明，SiC-CNF氣凝膠薄膜具有較強(qiáng)的電磁波吸收能力，其反射損耗最小為-53.3dB，導(dǎo)熱系數(shù)低至0.046W/m。

作為一種新型氣凝膠，碳化硅氣凝膠的制備工藝相對于傳統(tǒng)的氧化物和碳?xì)饽z更加復(fù)雜，特別是目前較多報道的超輕碳化硅纖維基氣凝膠，對于制備條件和制備成本要求較高。與此同時，目前碳化硅氣凝膠的各種制備工藝仍然存在一些不足，例如如何解決氣凝膠收縮大、易開裂等問題，如何在提升材料的力學(xué)性能的同時兼顧經(jīng)濟(jì)性要求。

SiC-CNF氣凝膠薄膜材料形成過程示意圖（圖源：文獻(xiàn)5）

小結(jié)

目前，吸波材料作為AI時代保障電子器件順利運(yùn)行的關(guān)鍵組分，僅靠單一的碳化硅基吸波材料是難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)要求的，需要通過多重結(jié)構(gòu)調(diào)控與多組分協(xié)同作用制備出復(fù)合型碳化硅基吸波材料，才能較好的滿足現(xiàn)實(shí)需求。

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