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南京航空航天大学:毫秒焦耳热长出SiC纳米线,实现−52.1 dB强吸波

2026-06-27 09:53:10

2026年3月31日，南京航空航天大学李彬彬团队在《 Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊上发表题为"Non-equilibrium thermodynamics-induced in situ construction of SiCNWs-CA heterointerfaces for augmented electromagnetic wave absorption"的研究论文。该研究针对碳气凝胶（CA）因单一损耗机制导致的阻抗失配和吸波性能不足问题，创新性地采用闪蒸焦耳加热（FJH）技术，在毫秒级时间内于CA骨架中原位生长出具有弯曲结构和线-球形态的碳化硅纳米线（SiCNWs），构建了紧密键合的SiCNWs-CA异质界面。该材料实现了反射损耗（RL~min~）低至-52.1 dB、有效吸收带宽（EAB）达4.67 GHz（厚度仅1.3 mm）的优异吸波性能，同时具备出色的热绝缘特性（150 ℃环境下20 min表面温度仅54.8 ℃），为航空航天多功能隐身材料提供了新策略。

【研究背景】

1. 航空航天隐身技术亟需高性能吸波材料

随着空间探测与战略防御系统协同打击能力的显著提升，航空航天器必须依赖电磁隐身技术来降低可探测范围。吸波材料通过将入射电磁波能量转化为其他形式能量，削弱目标反射信号，从而实现"隐身"效果。

2. 碳气凝胶优势与短板并存

碳气凝胶（CA）因介电损耗能力强、化学稳定性好、密度低等优点，被认为是理想的吸波材料基体。然而，CA缺乏异质界面导致的单一损耗机制使其阻抗匹配性差，难以同时获得低反射损耗和宽吸收带宽。

3. 传统SiCNWs制备方法存在固有缺陷

先驱体浸渍裂解（PIP）法涉及长时间高温处理，易导致SiC晶粒粗化，减少异质界面数量；化学气相沉积（CVD）法则存在催化剂残留问题，破坏吸波性能的协同机制。因此，开发新型高效制备SiCNWs-CA异质界面的方法具有重要意义。

【研究方法】

1. 生物质衍生碳气凝胶的绿色制备
以新鲜柚子皮为原料，经切块、冷冻干燥（12 h）去除水分后，在氩气氛围下800 ℃碳化2 h（升温速率5 ℃·min⁻¹），获得具有完整三维多孔网络结构的碳气凝胶（CA）。这一生物模板策略实现了废弃生物质的资源化利用。
图1：SiCNWs@CA的合成流程示意图
2. 闪蒸焦耳加热（FJH）原位构建异质界面
将Si@PTFE@CA样品夹于两层碳毡之间，在FJH反应系统中通入氩气保护，施加150 V高压电流脉冲，使样品在毫秒时间内迅速升温至1700 ℃以上。此过程中PTFE分解释放氟自由基和活性碳物种，Si粉熔融形成高活性液滴，经气-液-固（VLS）机制在CA骨架中原位生长出SiCNWs。FJH的超短反应时长避免了SiC晶粒粗化，非平衡热力学特性促进了高效界面键合。
3. 系统表征与性能评估
通过FESEM、HRTEM、XRD、XPS等手段对材料结构、形貌和化学组成进行全面表征；采用矢量网络分析仪（VNA）测试2-18 GHz范围内的电磁参数；结合CST仿真软件评估雷达散射截面（RCS）缩减效果；利用红外热像仪评价热绝缘性能。

【研究结果】

1. 异质界面的微观结构特征

SEM与TEM表征显示，FJH处理后大量SiCNWs均匀生长于CA孔隙中，形成三维网络结构。独特的弯曲结构源于FJH非平衡热力学特性诱导的内应力驱动生长转变；线-球形态则是VLS生长机制的典型特征。HRTEM清晰观察到异质界面处β-SiC特征晶格条纹向相邻CA区域呈现连续过渡趋势，形成了厚度约3 nm的明确晶格过渡层，实现了两相原子级紧密接触。

图2：CA与SiCNWs@CA复合材料的结构表征

2. 突破性的电磁波吸收性能

纯CA的RL~min~仅为-6.72 dB，EAB为0 GHz，几乎无吸波能力。而SiCNWs@CA-1在3.0 mm厚度下RL~min~达到-52.1 dB，在仅1.3 mm的超薄厚度下EAB达到4.67 GHz。随着Si:PTFE质量比从1:1增加至3:1，SiCNWs面密度下降导致有效异质界面减少，吸波性能逐渐降低（SiCNWs@CA-2：RL~min~ = -47.26 dB，EAB = 3.02 GHz；SiCNWs@CA-3：RL~min~ = -32.6 dB，EAB = 2.3 GHz），证实了异质界面密度对性能的决定性作用。

图3：各样品在不同厚度下的电磁波吸收性能对比

3. 与现有材料的性能对比及雷达隐身潜力

与文献报道的SiC泡沫、SiC气凝胶、树枝状SiCNWs等材料相比，SiCNWs@CA-1在"薄-宽-强"三维评价体系（厚度t~EAB~、RL~min~、EAB）中展现出显著优势，全面满足高性能吸波材料要求。CST仿真结果表明，SiCNWs@CA-1涂层在5.46 GHz处的散射信号最弱，在60°检测角下RCS最大降低达24.53 dB·m²，大幅降低雷达探测概率。

图4：复合材料的电磁参数与损耗机制分析

4. 优异的热绝缘性能

在150 ℃热台上持续加热20 min，SiCNWs@CA-1的表面温度仅54.8 ℃，远低于纯CA的69.4 ℃。SiCNWs-CA异质界面提供了丰富的非弹性声子散射中心，大幅缩短声子平均自由程，有效抑制固相热传导；弯曲SiCNWs形成的纳米通道限制气体宏观对流；SiCNWs与多孔CA的分级结构对红外热辐射波产生强多重散射与吸收，协同抑制三种传热路径。