Высокоэлектромагнитный прозрачный керамический композит, изготовленный из нанотрубок нитрида бора и оксинитрида кремния методом инфильтрации пергидрополисилазаном.

May 16, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 14374 (2022) Цитировать эту статью

1694 Доступа

2 цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

В связи с быстрым развитием устройств электромагнитных (ЭМ) волновых схем большое внимание привлекли высокоэффективные волнопрозрачные материалы с различными функциями. Керамический материал является многообещающим кандидатом для применения в суровых условиях благодаря своей химической и коррозионной стойкости. В этой работе был принят метод полимеризации для синтеза керамического композита при комнатной температуре. Композит изготовлен из керамики SiON на основе пергидрополисилазана и армирован листами нанотрубок нитрида бора (БННТ). С добавлением керамических материалов SiON полученный образец показал превосходную гидрофобность с углом смачивания 135–146,9°. Что еще более важно, для изготовленного образца SiON/BNNT наблюдалась превосходная термическая стабильность при 1600 ° C в кислородсодержащей атмосфере без какого-либо изменения формы. Электромагнитная прозрачность SiON/BNNT исследована волноводным методом. Подготовленный образец SiON/BNNT имеет среднюю реальную диэлектрическую проницаемость от 1,52 до 1,55 и среднее значение тангенса потерь в диапазоне 0,0074–0,0266 в диапазоне частот 26,5–40 ГГц. Обсуждается также влияние толщины на волновую прозрачность образцов SiON/BNNT. Подводя итог вышеупомянутым превосходным результатам характеристик и измерений, можно сказать, что представленная система материалов SiON/BNNTs имеет большой потенциал для использования в качестве ЭМ-прозрачных материалов в суровых условиях.

Волнопрозрачные материалы привлекли первостепенное внимание в течение последних нескольких десятилетий, поскольку этот тип материала имеет жизненно важное значение для изготовления корпусов антенн и защиты антенной системы радара от окружающей среды1. В целом, квалифицированные волнопрозрачные материалы обладают двумя характеристиками: низкой диэлектрической проницаемостью (ε < 4) и низким тангенсом потерь (tanδ: 10–2–10–3)2,3, что позволяет снизить энергопотребление. Волнопрозрачные полимерные и керамические материалы — две основные категории, которые широко используются в радиосистемах гиперзвуковых самолетов, боеголовок, высокоскоростных ракет и других подобных устройств4,5. По сравнению с полимерными композитами волнопрозрачные керамические материалы2,6 обладают дополнительными уникальными преимуществами: высокими температурами плавления, стойкостью к истиранию, стойкостью к атмосферной коррозии и большей стабильностью в суровых условиях. Например, сульфид цинка (ZnS)7 является одним из наиболее распространенных материалов для окон длинноволновых инфракрасных антенн с 1960-х годов, и его превосходные механические/термические/производственные свойства были тщательно исследованы другими. Тем не менее, жесткие требования, предъявляемые к суровым условиям труда, и необходимость снижения веса подтолкнули фокус внимания к сложной области легких и прозрачных для волн характеристик, которые сочетают в себе желательные свойства как полимеров, так и керамики.

Нанотрубки нитрида бора (БННТ) представляют собой цилиндры субмикронного диаметра и микрометровой длины. Они обладают привлекательными свойствами, проявляемыми сочетанием низкой диэлектрической проницаемости и высокого модуля упругости8,9,10. БННТ применялись в качестве армирующего материала для изготовления керамических композитов с исключительной теплопроводностью и диэлектрической проницаемостью11,12. БННТ представляют собой диэлектрический материал с низким коэффициентом k и относительной диэлектрической проницаемостью в диапазоне от 1,0 до 1,1 (50 Гц–2 МГц)8, и они перспективны для механических применений из-за высокого модуля. Например, сообщается, что БННТ имеют превосходный модуль Юнга (по оценкам, до 1,22 ± 0,24 ТПа)13, который зависит от диаметра и толщины нанотрубки14. Таким образом, БННТ могут быть потенциальным кандидатом для использования в высокотемпературных волнопрозрачных приложениях из-за их низкой диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь, превосходной сверхлегкой структуры и высокой температуры плавления. Однако, учитывая потенциальное применение волнопрозрачных материалов в высокоскоростных ракетах, чрезвычайно высокая теплопроводность (21,39 Вт/мК при 25 вес.% БННТ)15 может ограничить его дальнейшее применение в этой области. Стеклокерамика16, новый поликристаллический твердый материал, состоит из микрокристаллических и аморфных фаз и в последнее время также вызывает повышенный интерес. Оксинитрид кремния (SiON) относится к семейству стеклокерамик, и его сверхнизкая теплопроводность (1,1–1,4 Вт/мК) и относительная диэлектрическая проницаемость (3,7–3,9)17 могут компенсировать недостатки, которыми обладают БННТ. В частности, BNNT с SiON-покрытием могут стать основой для революционно новых материалов и процессов, и этот первый упомянутый новый композит прольет некоторый свет на материалы, прозрачные для волн.