西北工業大學成來飛教授團隊基于3D打印技術首次提出并構建了“wire-on-sphere”結構的SiC納米線/SiC晶須（SiCnw/SiCw）泡沫用于高溫電磁波（X波段）吸收。該泡沫在室溫和600 ℃下的最大有效吸收帶寬和最低反射系數分別為4 GHz、–57 dB和3 GHz、–15 dB。經過1000~1500 ℃氧化1 h，該泡沫可以保持最高3.9 GHz的有效吸收帶寬。此外，該泡沫還具有17.05 MPa的抗彎強度。

本期谷.專欄將分享這一科研成果的核心內容。

相關工作以“3D printing “wire-on-sphere” hierarchical SiC nanowires / SiC whiskers foam for efficient high-temperature electromagnetic wave absorption”為題發表在Journal of Materials Science & Technology上。西北工業大學博士研究生呂鑫元為第一作者，成來飛教授和葉昉副教授為共同通訊作者。
DOI：10.1016/j.jmst.2021.08.054

 研究背景

隨著航空發動機、高超音速飛行器和空間探測技術的發展，一些尖端航空航天領域的熱端部件需要具備優異的電磁波吸收性能。目前，多數關于吸波材料的工作都致力于實現室溫下材料的“薄寬輕強”，而如何設計具有優異高溫吸波性能的材料仍面臨巨大挑戰。

當下主流的吸波材料有導電聚合物、金屬、金屬氧化物、金屬硫化物、或碳材料等，它們的復合可以實現非常優異的室溫吸波性能。但是上述材料存在耐溫性不足（如金屬只能在低于居里溫度（一般低于600 ℃）下使用）或抗氧化性不足（如碳材料起始氧化溫度約為450 ℃）等問題，因此很難應用于更高溫度、腐蝕環境下服役的熱端部件。

SiCnw和SiCw是化學計量比的單晶材料，具有非常優異的耐高溫和抗氧化性能，并且具有合適的介電常數，是理想的高溫吸波材料候選，但相關研究難點是：(1)如何構建合理的微結構以實現優異的高溫吸波性能；(2)亟需發展快速、低成本的工藝路線；(3)掌握其在模擬工作環境下的微結構與性能演變機理。

 研究亮點

（1）發展了“wire-on-sphere”的多級結構用于高性能吸波材料；

（2）基于噴霧造粒-3D打印-PIP復合制造工藝路線實現了新型吸波材料的快速和低成本制備；

（3）首次發展了無催化先驅體浸漬裂解工藝制備SiCnw，揭示了其原位生長機理；

（4）所制備的SiCnw/SiCw泡沫具有優異的高溫吸波性能，經過1000~1500 ℃氧化，仍具有優良的吸波性能。

 圖文解析

研究團隊利用噴霧造粒、3D打印（粘結劑噴射法）、和先驅體浸漬裂解的組合工藝制備了“wire-on-sphere”結構的SiCnw/SiCw泡沫。圖1a, 1b, 1c, 和1d是SiCnw/SiCw泡沫制備各階段的SEM圖，圖1e展示了本文提出的“wire-on-sphere”結構，均勻茂密的SiCnw呈放射狀覆蓋在SiCw球面，在SiCw球間建立了高度連通的導電網絡，可以同時增強泡沫的吸波能力和力學性能。

圖1 (a) SiCw、(b) SiCw球、(c) SiCw泡沫、(d) SiCnw/SiCw泡沫的SEM圖，(e)“wire-on-sphere”結構的放大SEM圖，(f) XRD圖。

圖2對比了SiCnw/SiCw和SiCw兩種泡沫的室溫介電和吸波性能，結果顯示SiCnw/SiCw泡沫在厚度為2.71 mm時具有最優的吸波性能，其最大有效吸收帶寬（EABmax）達到了4 GHz（8.2~12.2 GHz），最小反射系數（RCmin）為–57 dB，相比之下，SiCw泡沫則在很大厚度范圍內RC>–10 dB，原因是其阻抗匹配較差，這說明SiCnw的引入顯著改善了泡沫的阻抗匹配特性。

圖2 SiCnw/SiCw和SiCw兩種泡沫的室溫(a)介電常數、(b)介電損耗、(c, d) RC曲線和|Zin–1|曲線(d的插圖)。

圖3展示了兩種泡沫的高溫介電和吸波性能（100~600 ℃），兩種泡沫的介電常數和損耗都隨溫度的升高而變大，SiCnw/SiCw泡沫的EABmax隨溫度升高逐漸變窄，至600 ℃為3 GHz。而SiCw泡沫的RC值在100-600 ℃依然高于–10dB，其阻抗匹配特性仍沒有得到改善。

圖3 (a-c) SiCnw/SiCw和SiCw兩種泡沫的介電常數和損耗隨溫度變化關系圖，兩種泡沫的(d, e) RC曲線和(f) |Zin–1|曲線與頻率關系圖。

圖4展示了經過1000-1500 ℃氧化1 h后，兩種泡沫的介電和吸波性能。經過高溫氧化，兩種泡沫的介電常數和損耗變化幅度都不大，比較穩定。氧化后的SiCnw/SiCw泡沫的EABmax隨氧化溫度升高先變窄后變寬，RCmin先變大后變小，在1500 ℃氧化1h，SiCnw/SiCw泡沫仍具有3.3 GHz的EABmax和–38dB的RCmin。而氧化后的SiCw泡沫的RC依然都高于–10 dB。

圖4 SiCnw/SiCw和SiCw兩種泡沫在1000-1500 ℃氧化1 h后(a, d)在10 GHz的介電常數和損耗、(b, e)具有EABmax的RC曲線、和(c, f) EABmax-RCmin柱狀圖。

為了研究高溫氧化后泡沫結構與性能的演變機理，利用透射電鏡統計了不同溫度氧化后SiCnw和SiCw表面的SiO2層厚度，其結果如圖5b和5c，可見隨氧化溫度升高，SiO2層厚度先升高后下降，在1300 ℃出現最大值，這與氧化后泡沫的吸波性能變化趨勢一致，再結合圖5d和5e中的|Zin–1|曲線和衰減系數曲線，它們也呈現出相同的變化趨勢，綜合以上可以說明SiO2層厚度是影響高溫氧化后吸波性能的關鍵因素，當其超過一定厚度（本文中為110 nm，占比超過SiC的70%），泡沫的阻抗匹配、損耗能力會明顯下降，當其小于此厚度，SiCnw/SiCw泡沫的吸波性能表現為小幅度下降。值得一提的是在1400 ℃和1500 ℃后，SiO2層厚度反而呈現變薄的趨勢，這可能是由于氧化速率增大，迅速形成保護層，進而阻礙了進一步氧化。

圖5 (a) SiCnw/SiCw泡沫的TG曲線，(b, c)不同氧化溫度下SiO2層的絕對厚度和相對厚度，(d, e)不同氧化溫度下泡沫的|Zin–1|曲線和衰減系數曲線與頻率的關系，(f) 1500 ℃氧化后SiCnw/SiCw泡沫的cole-cole圓，(g)不同氧化溫度后SiCnw的典型TEM圖。

圖6總結了SiCnw/SiCw泡沫的吸波機理。“wire-on-sphere”結構可以實現電磁波在球內和球間的多次反射以增強對電磁波的吸收，同時單晶的SiCnw和SiCw具有大量的堆垛層錯，可以引發偶極子極化損耗機制，此外SiCnw和SiCw可以形成大量的接觸界面，界面處可引發界面極化損耗。

圖6 具有“wire-on-sphere”結構的SiCnw/SiCw泡沫的吸波機理。

 總結與展望

論文提出并采用基于3D打印的組合工藝構建了“wire-on-sphere”結構的SiCnw/SiCw泡沫，該泡沫展現了優異的室溫和高溫吸波性能，在1000~1500 ℃氧化1 h后，可以保持優良的吸波性能，并且揭示了氧化層厚度對吸波性能的影響規律。論文所提出的“wire-on-sphere”結構具有普適性意義，可為高性能吸波材料的設計提供借鑒，論文所制備的SiCnw/SiCw泡沫未來在高溫領域（主要針對高于1000 ℃）有望獲得應用。

l 作者信息

第一作者：呂鑫元

通訊作者：成來飛，葉昉

通訊單位：超高溫結構復合材料重點實驗室

(責任編輯：admin)

• 浙大楊華勇院士團隊：生物
• 營收32.29億元，3D打印粉
• 2025年又有5所高校開設3D
• 珠海這個廁所，竟是3D打印
• 從大阪到戛納：一雙中國3D
• 央視報道今奇玩具！3D打印

• ·浙大楊華勇院士團隊：生物軟材料的順序
• ·營收32.29億元，3D打印粉末材料銷量271
• ·2025年又有5所高校開設3D打印本科專業
• ·珠海這個廁所，竟是3D打印！
• ·從大阪到戛納：一雙中國3D打印鞋憑何走
• ·央視報道今奇玩具！3D打印農場美國訂單
• ·殘疾人增材制造設備操作員(3D打印)系列
• ·2024年營收超8億元，MIM大廠統聯精密正