原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Qian J, Ma D, Zhou X, et al. Synthesis of SiOC@C ceramic nanospheres with tunable electromagnetic wave absorption performance. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220944

1、导读

SiOC陶瓷由于具有轻质、耐高温、分子可设计性等优势，在电磁防护领域极具应用潜力。由于SiOC陶瓷本身形成的碳化硅和自由碳含量少，因此单独的SiOC陶瓷的吸波性能并不理想。在这项工作中，我们通过液相法成功合成高比表面积SiOC@C纳米球前驱体，并研究了裂解气氛对物相组成与微观结构的影响，实现SiOC@C陶瓷纳米球的吸波性能的按需设计。为高温环境用吸波材料设计与制备提供可行思路。

图1 SiOC@C陶瓷纳米球的合成示意图及电磁波吸收性能 

2、研究背景

电磁波由于在长距离、无线以及高速传输等方面的优势，实现了5G智能时代的到来。智能时代给人类带来便利的同时，电磁干扰和电磁辐射之类的电磁污染问题变得越来越严重。在此背景下，设计并开发具有优异电磁波吸收能力的电磁防护材料已成为今年来研究的热点。SiOC先驱体陶瓷由于具有轻质、耐高温、分子可设计性等优势，在电磁防护领域极具应用潜力。然而，SiOC陶瓷本身形成的碳化硅和自由碳含量少，因此单独的SiOC陶瓷的吸波性能并不理想。众所周知，除了材料的组成影响吸波性能外，材料的结构和形貌的调控也是影响吸波性能的一个重要参数。多孔纳米球具备丰富的比表面积和介孔，入射电磁波在介孔内部发生多次反射实现对电磁能的耗散，而独特的自由碳网络层则有利于自由电子的传输，在陶瓷基体内部形成导电网络来增强导电损耗。本文通过液相法和先驱体转化法成功制备出SiOC@C陶瓷纳米球，系统研究了裂解气氛-物相组成-微观结构与电磁波吸收性能的关联关系，为开发高效电磁波吸收材料提供可行思路。

3、文章亮点

本研究采用液相法和先驱体转化法制备了SiOC@C陶瓷纳米球，研究了裂解温度-物相组成-微观结构与电磁波吸收性能的关联关系。结果表明，在氩气气氛下获得的SiOC@C陶瓷纳米球的主要成分为SiC纳米晶，石墨相碳，非晶SiOC。由于丰富的异质界面、SiC纳米晶的介电损耗及石墨相碳的导电损耗等机制，SiOC@C陶瓷纳米球的最小反射系数为-67.03 dB。在氮气气氛下获得的SiOC@C陶瓷纳米球的主要成分为Si₃N₄纳米晶，石墨相碳，非晶SiOC。最终，丰富的异质界面、Si₃N₄纳米晶的阻抗匹配调节、石墨相碳的导电损耗等机制，SiOC@C陶瓷纳米球的最小反射系数为-63.76 dB。本文所获得的SiOC@C陶瓷纳米球可实现吸波性能的按需设计。

4、研究结果及结论

图2 不同裂解气氛下获得的SiOC@C陶瓷纳米球的XRD、Raman及XPS图谱：（a）-（c）氩气；（d）-（f）氮气

图2（a）和（d）为SiOC@C陶瓷纳米球的XRD图。所有样品在20-30°范围均出现“馒头”峰，表明样品呈现非晶特性。在氩气气氛下裂解获得的样品出现SiC的特征峰，主要是SiOC陶瓷在高温下发生相分离以及碳热还原反应所形成。而在氮气气氛下，样品的XRD图谱中，随着裂解温度的升高，Si₃N₄的特征峰逐渐变得尖锐。SiOC陶瓷相分离过程所形成的SiO₂与自由碳，直接与氮气发生碳热还原氮化反应形成Si₃N₄。众所周知，SiC是优良的吸波介质，Si₃N₄是透波介质，二者在调节电磁波吸收材料的衰减系数和阻抗匹配性能方面，起着至关重要的作用。图2（b）和（e）为SiOC@C陶瓷纳米球的Raman光谱，所有样品在1335 cm^-1和1590 cm^-1左右出现了碳材料典型的D峰和G峰，且D峰和G峰的强度比值（I_D/I_G）随着裂解温度的升高逐渐增大，表明样品中的碳结构缺陷增多，有利于形成缺陷极化，提升对电磁波的损耗。再者，在氮气气氛下获得的样品的强度比值整体都比氩气气氛下获得的样品的强度比值小，表明氮气气氛下获得的样品的石墨化程度更大，即电导损耗更佳。XPS结果表明（图2（f）），N元素成功引入SiOC@C陶瓷纳米球中，经拟合发现，主要由N-C和N-Si键构成，N-C的形成有利于碳结构的电导率增加，这一结果与Raman一致。

图3 在氩气气氛下获得的样品（不同填充量）的反射系数：（a）-（b）15 wt.%；（c）-（d）30 wt.%；（e）-（f）50 wt.%

图3为在氩气气氛下获得的样品的反射系数。当样品填充量为15 wt.%时，最小反射系数为-67.03 dB，调节样品厚度，低于-10 dB的有效吸波带宽只能覆盖部分X波段和Ku波段；而样品填充量为30 wt.%时，有效吸波带宽可覆盖整个C波段、X波段及Ku波段；当样品填充量为50 wt.%时，由于整体的阻抗匹配不佳，电磁波吸收性能不理想，所有厚度下的反射系数均高于-10 dB。

图4 在氮气气氛下获得的样品（不同裂解温度）的反射系数：（a）-（b）1250 ℃；（c）-（d）1350 ℃；（e）-（f）1450 ℃

图3为在氮气气氛下获得的样品的反射系数。当裂解温度为1250 ℃时，样品厚度仅为1.63 mm下的最小反射系数为-62.76 dB；当裂解温度为1350 ℃时，样品厚度仅为1.57 mm下的最小反射系数为-62.76 dB；均表现处优异的电磁波吸收性能，并且通过调节样品厚度，有效吸波带宽可覆盖整个C波段、X波段及Ku波段。随着裂解温度升高至1450 ℃，由于电导率不断增大，样品的最小反射系数仅为-17.01 dB，电磁波吸收性能变差。

图5 不同样品的RCS曲线 

利用CST Studio Suite 2023软件对SiOC@C陶瓷纳米球在真实场景下的远场电磁波吸收性能进行了三维雷达散射截面(RCS)仿真，结果如图5所示。SiOC@C涂层的三维RCS强度分布形状相似，但SiOC@C-3-30%、SiOC@C-4-30%和SiOC@C-5-30%的垂直反射强度弱于SiOC@C-3-15%和SiOC@C-6-30%，表明SiOC@C-3-30%、SiOC@C-4-30%和SiOC@C-5-30%的涂层具有良好的电磁波衰减效果。

5、作者及研究团队简介

第一作者：钱俊杰

景德镇陶瓷大学，材料科学于工程学院教师，2023年7月博士毕业于华南理工大学。同年，入职景德镇陶瓷大学，主要从事吸波材料和先驱体陶瓷的制备与性能研究。在Journal of Advanced Ceramics, Journal of the European Ceramic Society, Journal of the American Ceramic Society等国内外期刊发表论文30余篇，参与授权发明专利4件。

通讯作者：汪永清

景德镇陶瓷大学，材料科学与工程学院教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，中国膜工业协会理事，江西省建筑卫生陶瓷标准化技术委员会主任委员，入选江西省百千万人才工程、江西省“双千人才计划”，江西省高校中青年学科带头人、江苏省“双创人才计划”。主持承担国家863计划、国家重点研研发计划、国家国际科技合作、国家自然科学基金等国家级项目5项和省基金重点项目、科技支撑计划项目等省级项目5项；参与国家级项目8项、省级项目10余项。获国家科技进步奖二等奖1项，省级科技进步奖一、二、三等奖各1项，省自然科学奖三等奖1项，中国轻工业联合会科学技术进步奖二、三等奖各1项，全国科技工作者创新创业大赛金奖1项，中国专利优秀奖1项，发表学术论文100余篇（其中SCI/EI收录60余篇），申请专利30余项，已授权25项。

通讯作者：曾小军

景德镇陶瓷大学，教授，主要研究领域：电磁功能材料与能源催化材料。

主要研究成果：博士生导师，景德镇陶瓷大学先进陶瓷材料研究所副所长，电磁功能材料科研创新团队负责人。北京航空航天大学博士，美国加州大学河滨分校（UCR）联合培养博士，美国加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）博士后。入选江西省主要学科学术和技术带头人，第二十二届“瓷都十大杰出青年”、2022年景德镇市“最美科技工作者”等称号。兼任SCI期刊《J. Adv. Ceram.》助理编委、《Rare Metals》和《Prog. Nat. Sci.》青年编委，ESCI期刊《Adv. Powder Mater.》、《Energy Materials》等青年编委，中国复合材料学会电磁复合材料分会委员会员，中国硅酸盐学会建筑卫生陶瓷专业委员会委员，中国晶体学会会员。近年来，以第一/通讯作者发表论文80余篇，其中，SCI论文近70篇，总引用次数3000余次。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

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