Si基陶瓷复合材料的周期性3D打印结构设计与电磁性能研究

作     者：赵星 

作者单位：西北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梅辉

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：3D打印技术 周期性结构 Al2O3/SiC复合材料 PDCs-SiOC陶瓷 前驱体改性 电磁吸波性能 

摘      要：具有轻质高强、耐高温、频带宽、可设计性强等特点的吸波陶瓷基复合材料在航空航天吸波领域有着十分重要的发展前景。然而,吸波陶瓷基复合材料的结构/材料/外形的多样性和复杂性对其加工制造技术提出了新的挑战。与传统制造工艺相比,陶瓷3D打印技术理论上可以精确控制陶瓷吸波材料的空间几何形状和结构,为实现陶瓷基复合材料吸波结构的简易制作提供了可行方案。与传统吸波结构相比,超材料作为一种人工电磁结构材料,能够通过周期性结构实现电磁调控,为吸波陶瓷基复合材料设计提供了新思路。本文基于吸波材料的设计原理,引入周期性结构调控电磁性能的概念,对3D打印Si基陶瓷复合材料的吸波结构设计与性能进行了研究。本文的主要研究内容和结果如下:1.研究了宏观结构对3D打印AlO/Si Cw复合材料吸波性能的影响(1)采用3D打印技术与化学气相渗透(CVI)联合技术制备AlO/Si Cw复合材料斜蜂窝结构。研究结果表明:相比于单层平板结构,多孔斜向蜂窝结构(θ=30、45、60、75)和微米尺度的Si C晶须能够有效改善阻抗匹配、内部散射和介电损耗,实现吸波复合材料优化。其中,角度为30的AlO/Si Cw斜蜂窝结构的最小反射系数(RC)达到-63.65 d B,有效吸收带宽(EAB)可达4.2 GHz,能够覆盖整个X波段。(2)采用3D打印与CVI联合技术制备AlO/Si Cw复合材料双层吸波结构。该结构由不同扭转角(θ=0、30、60、90)的表层十字架结构和底层平板构成。研究结果表明:双层吸波结构对不同方向入射电磁波具有不同的响应,并且表层扭转结构角度的改变能够实现吸波性能的调控。当电磁波正向入射时,扭转角为90的样品具有最佳的吸波性能;当电磁波反向入射时,扭转角为60的样品具有最佳的吸波性能。最后,通过CST仿真揭示了由宏观结构引起的电场耦合效应以及多重散射效应的损耗机制。2.研究了微结构对3D打印AlO/(CNTs)/Si Cnw/Si OC吸波性能的影响(1)采用二茂铁改性前驱体法在AlO陶瓷双层结构上生长针刺状Si C纳米线,制备AlO/Si Cnw/Si OC复合材料吸波结构。研究结果表明:二茂铁的加入能够有效促进Si C纳米线的生长;Si C纳米线可有效损耗电磁波,提高介电常数并影响复合材料的吸波性能。结合能够引起电场耦合效应和多重散射效应的十字架结构设计,通过微结构调控实现复合材料结构吸波性能的优化。(2)采用CNTs改性前驱体法在AlO陶瓷双层结构上生长团絮状Si C纳米线,制备AlO/CNTs/Si Cnw/Si OC复合材料吸波结构。研究结果表明:CNTs的加入不仅可以促进Si C纳米晶体的析出,而且CNTs本身能够提高电导率,从而影响复合材料的电磁特性。当CNTs含量为5 wt.%时,兼具微结构损耗和宏观结构损耗机制的复合材料吸波结构表现出最佳的吸波性能:RC=-56.84 d B,EAB=4.2 GHz。3.研究了微结构与宏观结构协同调控对3D打印PDCs-Si OC陶瓷吸波性能的影响(1)合成并制备可光固化成型的Si OC前驱体聚合物,实现3D打印PDCs-Si OC陶瓷复杂结构的制备。首先研究不同热处理温度工艺下微结构调控对Si OC陶瓷平板结构吸波性能的影响。结果表明:纳米石墨和β-Si C晶体能够在较低的热处理温度(1100℃)下从非晶Si OC陶瓷中析出。不同热处理温度下微结构成分、含量不同,能够起到调节介电常数和吸波性能的作用。1300℃热处理后的Si OC陶瓷平板结构表现出最佳的吸波性能:RC=-32.44 d B,EAB=2.9 GHz。(2)通过宏观结构设计调节1300℃热处理温度下材料的本征电磁参数,制备多孔单层结构、十字双层结构以及复合结构的PDCs-Si OC陶瓷吸波体。研究结果表明:Si OC陶瓷多孔配位结构的RC=-29.97 d B,EAB=4.0 GHz,实现宽频吸波特性。Si OC陶瓷十字凸/平板双层结构的RC=-58.97 d B,EAB=4.0 GHz,实现宽频带、强吸收特性。此外,通过调节表面十字结构参数,可以有效调节吸收强度和频带峰位。最后,利用十字凸与十字凹结构同层以及异层组合形成复合结构,该复合结构改变了从金属背板反射的电磁波的传播方向,破坏了其与材料表面反射电磁波的干涉损耗机制,仅能实现宽频吸波特性。