人工智能時代的應用場景非常的復雜，對吸波材料的需求也將更加的個性化。碳化硅作為一種具有較低密度、高熱導率、抗氧化性、抗腐蝕性的吸波材料，因其電導率和介電損耗較低，使得阻抗匹配性能難以滿足現實需求，而阻抗匹配是研究電磁波與材料相互作用以及在不同頻段下透波效果的參數，它與吸波材料的電子激發躍遷產生的能量共振有關，會直接影響到吸波材料的吸收效果和使用效率，因此阻抗匹配性能的好壞對于吸波材料是至關重要的。如何有效改善碳化硅阻抗匹配不佳的問題，成為碳化硅吸波材料在未來AI領域發展的關鍵。接下來，小編將為大家介紹目前用于改善碳化硅阻抗匹配不佳的兩種方法（摻雜改性和形成含碳化硅復合材料）及其相關應用。

圖源：知乎

碳化硅摻雜改性

碳化硅的摻雜改性可以有效調節其載流子濃度，使其適用于微波頻段的吸收。按摻雜類型可分為N型摻雜和P型摻雜兩類。

（1）N型摻雜主要是在碳化硅中引入氮、磷、砷等能夠提供額外電子的雜質原子，這些雜質原子會在碳化硅的禁帶中形成額外的能級，從而增加材料中的自由電子濃度。這些自由電子會與電磁波相互作用，導致介電損耗增加，從而提高材料對電磁波的吸收能力。在碳化硅納米顆粒中摻雜氮（N），可通過調節摻雜N的碳化硅納米顆粒的含量，改變材料的復介電常數，經N改性后的碳化硅，結構會更加多樣化，可提高吸收電磁波的能力。

（2）P型摻雜主要是在碳化硅中引入能夠產生空穴的鋁、硼、鎵等雜質原子，這些雜質原子的加入會在碳化硅的禁帶中形成額外的能級，使得價帶中的電子躍遷到這些能級上，留下等量的空穴。在碳化硅材料中引入硼（B），B的引入促進了β-SiC的結晶，形成了受主摻雜的碳化硅固溶體，增加了穩定性。隨著硼的加入，材料的復介電常數實部虛部表現為先下降后升高的規律。

不同B含量制備粉體的FESEM照片（圖源：文獻1）

形成含碳化硅復合材料

一、碳化硅纖維增強碳化硅吸波材料

碳化硅纖維（SiCf）具有良好的電阻率可調性、高飽和載流子漂移速度和導熱性，可以有效提升碳化硅材料的強度與介電性能。當電磁波入射到材料上時，碳化硅纖維與基體之間的界面可以引起電磁波在材料內部多次反射和吸收，增加了電磁波在材料內部的傳播路徑，增強了吸波效果。碳化硅纖維在復合材料中進而會形成導電網絡，有助于電磁波在材料內部的傳播和能量損耗。

應用：

（1）Han等采用前驅體滲透熱解法制備了五向編織碳化硅纖維預成型體增強的SiCf/SiC復合材料，研究發現該材料具有良好的微波吸收能力，其在8.2GHz處可實現的最小反射損耗為?16.1dB，有效吸收帶寬為1.5GHz。后來，Mu等對前驅體滲透熱解法進行了一定的改進，對聚碳硅烷（PCS）前驅體進行適當的熱交聯，并對碳化硅纖維進行脫碳處理，制備出具有較強吸波性能的SiCf/SiC復合材料。結果表明，在8.2-18GHz頻率范圍內，未處理的復合材料的反射損耗值小于?5dB，而厚度為3.1mm的復合材料經過處理后，最小反射損耗可達?23.5dB，有效吸收帶寬可達5.9GHz。

（2）在碳化硅纖維上使用涂層技術對于提升碳化硅纖維增強碳化硅復合材料（SiCf/SiC）的電磁波吸收性能有著重要的作用。Huang等通過電泳沉積法（EPD）將碳化硅納米線（SiCNWs）沉積在熱解碳（PyC）涂層碳化硅上，然后進行碳化硅化學氣相滲透（CVI），得到了SiCNWs/PyC-SiCf/SiC復合材料。結果表明，該復合材料的最小反射損耗為?58.5dB，當匹配厚度為2.2mm時，有效吸收帶寬可達6.13GHz，這主要是由于該材料改善了介電損耗能力和阻抗匹配并強化了多重反射。

碳化硅纖維類型、編織方式、界面層、基體電性能協同設計原理與方法對SiCf/SiC結構的吸波材料性能優化非常重要，但是目前缺乏系統研究。同時，吸波性能與力學性能的協同優化匹配原則還有待進一步探究。

包含SiC界面相的SiC_f/SiC/Mu復合材料的損耗正切值（圖源：文獻2）

二、碳化硅/磁性物質復合吸波材料

碳化硅是一種電介質型吸波材料，主要依靠介電弛豫損耗來消耗電磁波能量，為了進一步改善其單一損耗機制，將碳化硅與磁性物質進行復合，使復合材料可以通過磁損耗與介電損耗雙重損耗機制協同作用來提升微波吸收性能。磁損耗機制主要是通過磁滯損耗、鐵磁共振和渦流損耗等方式來大量吸收電磁波的能量，以實現微波吸收的目標。目前，碳化硅主要與Fe、Co、Ni等磁性物質進行復合。

應用：

（1）Hou等以含鐵聚硅乙炔（PSA）為原料，通過一種簡單的聚合物衍生陶瓷（PDC）合成了新型高溫抗氧化SiC/Fe₃Si/CNTs復合材料。其微觀結構是由球形Fe₃Si納米粒子和碳納米管的碳化硅陶瓷顆粒組成的，此結構增大了材料的比表面積，增強了界面極化。同時，提高材料的介電性能和磁性能，優化阻抗匹配。通過調整復合材料的匹配厚度可以獲得可調諧的吸波性能，樣品有效吸收帶寬達13.5GHz；匹配厚度為2mm時，10.5GHz處最小反射損耗達到?41.2dB；匹配厚度為1.5mm時，有效吸收帶寬接近4GHz。

（2）Wang等制備了共價鍵SiC/Co混合納米線（NWs），分析表明，碳化硅納米線與磁性Co納米晶體之間形成了Si—O—Co鍵。電荷轉移發生在共價鍵合的SiC/Co混合NWs中。當雜化物中Co含量為25.1wt%時，SiC/Co誘導的協同耦合作用實現了有效帶寬為6.6GHz的寬頻吸收。

對于磁性物質與碳化硅材料的復合，如何進一步提升其阻抗匹配性能，實現磁損耗與介電損耗協同作用的最大化是重要的研究課題，同時，磁性物質在高溫環境下會導致磁飽和性下降，如何滿足磁性物質/碳化硅在高溫等特殊環境下的良好吸波性能是值得研究的重要難題之一。

SiC/Fe₃O₄/rGO復合材料元素面掃描分析圖（圖源：文獻3）

三、碳化硅/碳基復合吸波材料

碳基材料具有低密度和良好的導電性及較強的介電損耗性能，碳化硅與碳基材料的復合可有效地增強復合材料的介電損耗性能，實現強化吸收性能與拓寬吸波帶寬的目標。復合材料的內部微觀結構可以改善傳導損耗，提供更多的載流子路徑，以優化阻抗匹配。在電磁波入射時，材料的電導損耗和介電損耗可以有效使電磁波能量在材料內部轉化為熱能，進而被吸收。這種復合材料可以有效吸收和衰減電磁波，減少其反射和進一步的傳播。常見的與碳化硅結合的碳基材料有炭黑、碳納米管（CNTs）和石墨烯。

應用：

（1）Du等以葡萄糖為碳（C）源，制備了C摻雜碳化硅陶瓷納米復合材料，非晶碳和石墨會均勻地覆蓋在碳化硅基體上。通過改變葡萄糖的含量，可以調整納米復合材料的介電特性。當葡萄糖含量為0.50mmol/mL，匹配厚度為1.66mm時，該復合材料在16.0GHz處存在最小反射損耗?76.6dB。

（2）CNTs具有高導熱性和優良的機械性能，不僅可以增強復合材料的力學性能，還可以提升電磁吸收性能。Zhang等采用靜電紡絲和聚合物衍生陶瓷（PDC）方法制備了碳納米管負載柔性碳化硅纖維墊。研究發現，碳納米管的引入會大大提升電磁吸收性能，在碳化硅纖維和碳納米管的協同效應下，導電損耗和極化弛豫損耗有效消耗了電磁能量，當碳納米管含量為3wt%，纖維墊在厚度為3.5mm時，最小反射損耗為?61dB，有效吸收帶寬為2.9GHz。

（3）哈工大杜耘辰等以酚醛樹脂小球和二氧化硅分別作為內核和外殼層構筑了具有核殼結構的復合微球，利用高溫熱解過程中的界面反應，自發形成了中空結構，這不僅有利于滿足輕量化需求，而且對入射電磁波衰減能力也有明顯的促進作用。通過控制二氧化硅殼層厚度，可實現中空SiC/C復合微球的組成調控，進而達到調控復合材料電磁特性的目的。研究結果表明，在組成和結構的協同作用下，SiC/C復合材料可表現出優異的吸波性能，其中最強反射損耗和最寬有效吸收分別為-60.8dB和5.1GHz。

碳化硅與碳復合材料主要是通過將碳納米結構結合到納米尺寸的碳化硅中來制造的，常常會產生有限且不穩定的界面。加上CNTs及石墨烯等碳基材料價格昂貴且制備方式復雜，這在一定程度上阻礙了碳化硅/碳基復合材料在電磁波吸收中的更廣泛的應用。

SiC_NW/GA-S樣品的實物圖及其性能圖（圖源：文獻4）

四、SiC基多元復合吸波材料

碳化硅材料的表面與界面密切影響其界面極化效應，增大材料的比表面積將使界面上聚集更多的電荷以形成偶極子，從而促進偶極子極化。碳化硅基多元復合材料在不同組分之間具有多個界面，可產生類似電容器的結構，給多個界面極化帶來較強的弛豫損失，多元磁性復合材料可以進一步強化磁損耗性能，從而強化本征碳化硅及二元碳化硅復合材料的吸波性能。

應用：

（1）Zhang等采用原位碳熱還原策略，以可膨脹石墨、Si-SiO₂混合粉末和二茂鐵為原料，制備了由SiC@SiO₂納米線和Fe₃Si磁性納米顆粒組成的納米復合材料。研究發現，該納米復合材料在2.4mm的匹配厚度下，有效吸收帶寬為5.4GHz；在匹配的厚度為4.9mm，有效吸收帶寬為15.5GHz時，最小反射損耗值低至?37.53dB。這是由于復合材料介電損耗、磁損耗、界面損失和散射理論的協同作用而產生良好的吸波性能。

（2）在多元復合材料中，引入有機高分子材料和新興的MXene材料也是一種有效的提升吸波性能的方式。Ma等通過靜電自組裝，在聚偏氟乙烯（PVDF）基體中，開發了SiCNW/MXene的多相納米結構，研究發現當SiCNW：MXene比值和SiCNW/MXene濃度分別為7：1和20wt%時，其在Ku波段達到5.0GHz的有效帶寬，在匹配的厚度為1.45-1.5mm時，最小反射損耗可達?75.8dB，這是基于二維MXene納米片和一維SiCNw在結構上的協同作用，在聚合物基體中形成了許多非均勻界面所致。

碳化硅基多元復合材料通過介電性能和磁損耗性能的雙重強化可以有效達到對電磁波高效吸收的效果，但是如何進一步分析復合損耗機制，提升界面穩定性，探究最佳配比體系等問題需要進一步的研究。

不同材料復合類型SiC基吸波材料的吸波性能表（圖源：文獻4）

小結

在人工智能時代，復合型碳化硅吸波材料可以針對不同的應用環境，作出相應的變化以滿足AI應用的需求。如在AI數據中心的服務器和通信設備中運用碳化硅吸波材料，可以有效提高數據處理的效率和穩定性，降低能耗；在自動駕駛領域中，將碳化硅吸波材料應用于車輛的雷達和通信系統，可以有效減少電磁波的反射和干擾，提高感知精度和通信質量，有助于AI駕駛系統的決策和執行。總而言之，復合型碳化硅吸波材料在AI領域具有非常廣泛的應用前景，但目前仍需要不斷的研究與開發，以提升產品的核心競爭力，使之在未來AI市場中可持續發展。

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