清华大学材料学院，北京

Email: *qhgzt@mail.tsinghua.edu.cn

收稿日期：2021年4月19日；录用日期：2021年5月17日；发布日期：2021年5月24日

摘要

吸波材料能有效吸收电磁波，避免电磁波反射，在军工等领域应用广泛。本实验采用简单易行的机械混合法制备了一系列环氧树脂/碳化硅/镍复合材料并研究了其吸波性能。结果显示，当环氧树脂占比在20 wt%~30 wt%之间时，随着碳化硅含量的增加，环氧树脂/碳化硅复合材料的吸波性能得到显著提升；而在环氧树脂占比20 wt%的环氧树脂/碳化硅/镍复合材料中，随着镍含量的增加，复合材料吸波性能先好后差，其中环氧树脂/碳化硅/镍质量比为2:7:1的样品在材料厚度为1 mm时最低反射率为−13.26 dB，频带宽度约为1.65 GHz，达到了吸波材料基本要求，有望成为8.2~18 GHz波段下性能较好的吸波材料。

关键词

吸波材料，碳化硅，复合材料，机械混合法，反射率，频带宽度

Study on the Microwave Absorption Behavior of Silicon Carbide

Ruopeng Cui, Zhiting Geng^*, Qi Wang, Ning Zhao, Yongzhong Shen

School of Material Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing

Email: *qhgzt@mail.tsinghua.edu.cn

Received: Apr. 19^th, 2021; accepted: May 17^th, 2021; published: May 24^th, 2021

ABSTRACT

Microwave absorbing materials can effectively absorb electromagnetic waves and avoid their reflection, which are widely used in areas such as war industry. A series of epoxy resin/SiC/Ni composites were prepared by simple mechanical mixing and their microwave absorption behaviors were investigated. It was found that when the mass proportion of epoxy resin was between 20 wt% and 30 wt%, the microwave absorption behaviors of epoxy resin/SiC composites improved significantly with the increase of the mass proportion of SiC. In the epoxy resin/SiC/Ni composites with 20 wt% epoxy resin, the microwave absorption behaviors of the composites improved first but then deteriorated with the increase of the mass proportion of Ni. The sample with an epoxy resin/SiC/Ni mass ratio of 2:7:1 and thickness of 1 mm had the minimum reflection loss of −13.26 dB and bandwidth of ~1.65 GHz, which meets the basic requirement for microwave absorbing materials, and is expected to be a good microwave absorbing material in the 8.2~18 GHz frequency range.

Keywords:Microwave Absorbing Material, SiC, Composite, Mechanical Mixing, Reflection Loss, Bandwidth

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

吸波材料是一类可以借助介电损耗、磁损耗等机制耗散电磁波能量或使电磁波因干涉而消失，从而有效避免入射电磁波反射的材料 [1]，对于军工、民用等领域具有非常重要的意义。无论是在军工领域作为隐身材料应用于飞机、舰艇、导弹、坦克等大型作战武器上 [2]，还是在民用领域保护电子设备或保障人类身体健康上 [3]，吸波材料的应用十分广泛，因此吸波材料已经成为各国重点发展的一类材料 [4]。由于雷达监测的电磁波频率范围一般为2~18 GHz，因此大多数吸波材料的研究波段集中在2~18 GHz [4]。研究吸波材料通常用反射率R (单位dB)以及R < −10 dB的频带宽度来反映吸波材料的吸波性能 [5]：R反映了电磁波在吸波材料和空气界面处的反射程度，数值越小吸波性能越好 [6]；R < −10 dB则表明材料能够吸收90%以上的电磁波能量，可认为材料有效吸收了电磁波，频带宽度越大吸波性能越佳 [7]。对于单层吸波材料，R可通过传输线理论公式(1)和(2)用复介电系数和复磁导率来表示 [5] [6] (公式中的Z是相对于自由空间的输入阻抗，μ_r、ε_r分别是复磁导率和复介电系数，f是电磁波频率(单位Hz)，d是材料厚度(单位mm)，c是真空光速(取2.997925 × 10¹¹ mm/s) [8] )：

$Z=\sqrt{\frac{{\mu }_{\text{r}}}{{\epsilon }_{\text{r}}}}\tanh \left(\text{j}\frac{2\text{π}fd}{\text{c}}\sqrt{{\mu }_{\text{r}}{\epsilon }_{\text{r}}}\right)$ (1)

$R\left(\text{dB}\right)=20\log \left|\frac{Z-1}{Z+1}\right|$ (2)

吸波材料根据电磁波的损耗机制可分为电阻型、电介质型和磁损耗型 [4] [7]。电阻型吸波材料主要通过电阻耗能散热吸收电磁波，电介质型吸波材料主要借助极化弛豫等介电损耗机制吸收电磁波，而磁损耗型吸波材料主要利用磁滞损耗、涡流损耗、自然共振损耗以及畴壁共振等磁损耗机制吸收电磁波 [4] [7]。碳化硅(SiC)是一种电介质型吸波材料 [4]，主要依靠介电极化损耗来消耗电磁波能量，损耗机理比较复杂 [2]。碳化硅不仅吸波性能可调，而且具有密度小、耐高温、强度大等特点 [2] [9]，有望实现轻质、薄层等优良特性，因此成为吸波材料领域中研究的重点 [10]。为进一步提升碳化硅材料的吸波性能，通常采用添加其它材料制备复合材料的方法来实现这一点 [11]。其中，添加铁、钴、镍等磁性材料后，碳化硅复合材料可同时兼具磁损耗和介电损耗，有望获得吸波性能较好的吸波材料 [12] [13] [14]。鉴于此，本研究将以环氧树脂作为粘结剂，主要关注环氧树脂/碳化硅/镍复合材料对于X波段(8.2~12.4 GHz)和Ku波段(12.4~18 GHz)电磁波的吸波性能。首先探究碳化硅的含量对不含镍的环氧树脂/碳化硅复合材料吸波性能的影响，而后选择并固定最佳环氧树脂质量占比，研究镍的含量对环氧树脂/碳化硅/镍复合材料吸波性能的影响。

2. 实验设计

2.1. 材料制备

实验所用原料为碳化硅粉(南宫市雷公合金材料有限公司生产，纯度99%，粒度5~15 μm)、超细镍粉(南宫市雷公合金材料有限公司生产，纯度99.9%，粒度0.2 μm)、环氧树脂(艾力克生产，分为无色透明的E44环氧树脂胶和浅黄棕色的650环氧固化剂)。实验共研究十二份样品，各组分质量比(环氧树脂:碳化硅:镍)分别为3:7、3:6.5:0.5、3:6:1、3:5.5:1.5、2.5:7.5、2.5:7:0.5、2.5:6.5:1、2.5:6:1.5、2:8、2:7.5:0.5、2:7:1、2:6.5:1.5，其中环氧树脂是等质量加入E44环氧树脂胶和650环氧固化剂。为便于讨论，将这十二份样品按环氧树脂占比进行分组，每份样品可用各组分比例进行简记(如表1所示)。

表1. 材料制备信息

上述十二份样品每份总质量均为30 g，按照表1称量好各组分后，反复搅拌混合物，直至几乎无颗粒状物质残留，然后将混合物均匀涂覆在玻璃皿上并压实固化。待样品完全固化后，用切割机、磨床和砂纸加工样品至符合吸波性能测试时要求的样品标准尺寸：大块22.86 mm × 10.16 mm × 2 mm (8.2~12.4 GHz的波导测试)，小块15.799 mm × 7.899 mm × 2 mm (12.4~18 GHz的波导测试)。

2.2. 性能测试和结构表征

吸波性能利用中电科3656D矢量网络分析仪(VNA)，采用波导传输线法测试环氧树脂/碳化硅/镍复合材料的复介电系数和复磁导率，由公式(1)和(2)计算出反射率和频带宽度。材料结构表征则采用Rigaku的X射线衍射分析仪(XRD)确定复合材料的物相组成；使用Phenom Pure扫描电镜(SEM)观察复合材料的表面形貌，借助Zeiss扫描电镜(SEM)做X射线能谱分析(EDS)确定表面形貌的具体信息。

3. 结果与讨论

3.1. 碳化硅含量对环氧树脂/碳化硅复合材料的影响

由于粘结剂环氧树脂同样具有一定的介电损耗性能 [15]，因此有必要先探究环氧树脂/碳化硅复合材料的吸波性能随碳化硅占比增加的变化趋势，从3:7样品、2.5:7.5样品和2:8样品中选出吸波性能最佳的，而后对相应小组内的含镍复合材料样品再做进一步讨论。如图1所示，在材料厚度均为2 mm的情况下，3:7样品的吸波性能最低反射率R_Lmin明显大于2.5:7.5样品的，但是由于2:8样品的反射率曲线在X-Ku波段未出现峰值，且其R_Lmin和2.5:7.5样品的接近，因此需要进一步探讨2:8样品和2.5:7.5样品的吸波性能。因为材料的复介电系数和复磁导率不随材料厚度的改变而变化，所以可通过调整材料厚度得到2:8样品的反射率曲线峰值进而对比2:8样品和2.5:7.5样品的吸波性能。如图2所示，在材料厚度均为1.5 mm的情况下，2.5:7.5样品和2:8样品在X波段的反射率曲线均出现了峰值，且2:8样品的R_Lmin小于2.5:7.5样品的R_Lmin，故2:8样品在本实验不同比例的环氧树脂/碳化硅复合材料中吸波性能最佳，即当环氧树脂占比在20 wt%~30 wt%时，随着环氧树脂/碳化硅复合材料中碳化硅的比例上升，样品的吸波性能提高。

3.2. 镍含量对环氧树脂/碳化硅/镍复合材料的影响

由3.1可知，本研究将重点分析环氧树脂占比20 wt%的第三组样品的吸波性能，探究在环氧树脂占比为20 wt%固定的情况下，镍粉含量对环氧树脂/碳化硅/镍复合材料吸波性能的影响。如图3所示，在材料厚度均为2 mm的情况下，随着镍粉占比的提高，环氧树脂/碳化硅/镍复合材料样品的R_Lmin先显著降低后有所增加，且2:7:1样品的R_Lmin最小。由于图3中2:7:1样品未出现峰值，无法获得频带宽度，可通过改变材料厚度计算出不同厚度下2:7:1样品进一步研究其吸波性能。如图4所示，2:7:1样品在材料厚度为1 mm时的R_Lmin能达到−13.26 dB (在16.43 GHz处取得)，该数值已小于−10 dB的反射率标准 [7]；而频带宽度约为1.65 GHz，吸波性能优于李华展等制备的单向碳化硅纤维/环氧树脂复合材料 [16]。

图1. 厚度2 mm的环氧树脂/碳化硅复合材料的反射率曲线

图2. 厚度1.5 mm的环氧树脂/碳化硅复合材料的反射率曲线

图3. 厚度2 mm的第三组环氧树脂/碳化硅/镍复合材料的反射率曲线

图4. 不同厚度下的2:7:1环氧树脂/碳化硅/镍复合材料样品的反射率曲线

为分析环氧树脂/碳化硅/镍复合材料的物相组成，探究该复合材料在混料过程是否有新相生成，本研究选择对2:6.5:1.5的环氧树脂/碳化硅/镍复合材料样品进行XRD测试。XRD谱图如图5所示，可以看出2:6.5:1.5样品主要由6H-SiC(PDF#72-0018)和Ni(PDF#87-0712)两晶相组成，无其它新相生成，表明在混合过程中碳化硅粉和镍粉没有发生化学反应。由于第三组制备方法和原料相近，此结果可以说明第三组样品无新相生成。

图5. 2:6.5:1.5环氧树脂/碳化硅/镍复合材料样品的XRD谱图

图6是第三组四个样品的SEM照片(放大倍率1200×)，从左到右，从上到下分别是2:8样品、2:7.5:0.5样品、2:7:1样品、2:6.5:1.5样品，可以看出随着镍含量的增加，白色小颗粒数量增多，而灰色的大颗粒略微减少，初步判定白色小颗粒是镍，而灰色大颗粒是碳化硅。为进一步验证该分析结果，本研究选择对2:6.5:1.5的环氧树脂/碳化硅/镍复合材料样品进行EDS元素分析。面扫结果如图7所示，可以看出碳化硅中出现的硅元素的位置，对应图7左侧SEM照片中大颗粒的位置；而镍元素呈现均匀分布，不像硅元素那样出现明显的聚集，因此可以确定白色小颗粒是镍，而灰色大颗粒是碳化硅。由图6还可以看出，碳化硅大颗粒在第三组各个样品中分布均匀，而镍的小颗粒在2:7.5:0.5样品和2:7:1样品的SEM照片中也呈现出比较均匀的弥散分布，但是在2:6.5:1.5样品中镍的小颗粒出现了一定的聚集，这可能导致了2:6.5:1.5样品没有像预期的那样吸波性能比2:7:1样品好。

图6. 第三组环氧树脂/碳化硅/镍复合材料样品的SEM照片(放大倍率1200×)

图7. 2:6.5:1.5环氧树脂/碳化硅/镍复合材料样品的EDS结果

4. 结论

1) 当环氧树脂占比在20 wt%~30 wt%之间时，随着碳化硅质量比例的增加，环氧树脂/碳化硅复合材料的吸波性能显著得到提升；环氧树脂/碳化硅比例为2:8的样品吸波性能最佳。

2) 在环氧树脂占比为20 wt%的环氧树脂/碳化硅/镍复合材料中，随着镍含量的增加，该复合材料的吸波性能先提高后降低，性能下降的原因是镍粉颗粒的聚集。

3) 环氧树脂/碳化硅/镍的比例为2:7:1的样品在16.43 GHz处取得最低反射率−13.26 dB，频带宽度约为1.65 GHz，吸波性能达到了基本要求，有望成为X-Ku波段下性能较好的吸波材料。

基金项目

清华大学实验室创新基金。

文章引用

崔若鹏,耿志挺,王 琪,赵 宁,慎庸仲. 碳化硅材料吸波性能的研究
Study on the Microwave Absorption Behavior of Silicon Carbide[J]. 材料科学, 2021, 11(05): 593-600. https://doi.org/10.12677/MS.2021.115069

参考文献