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

Cite this article:

Chen Y-T, Peng H, Cai B, et al. Synthesis of ultralight hollow SiC/C nanofiber for highly efficient electromagnetic wave absorption. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221225. 

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221225

ResearchGate：Synthesis of ultralight hollow SiC/C nanofiber for highly efficient electromagnetic wave absorption

1、导读

开发复杂环境适用的多功能电磁波吸收材料是电磁防护领域的重要研究方向。本工作通过水热-碳热还原法成功构建了一种新型中空SiC/C纳米纤维气凝胶，表现出超轻特性、良好的弹性和抗疲劳性，以及优异的电磁波吸收性能（7.0 GHz @2.4 mm，-63.5 dB @1.4 mm）。同时，该材料在600°C下仍能保持介电性能稳定。该策略为发展面向极端环境的高性能电磁防护材料提供了新思路。

2、研究背景

随着军事装备与民用设施的快速发展，电磁波防护材料需应对高温、富氧、高湿等苛刻服役环境的考验，开发适配复杂环境的多功能电磁波吸收材料迫在眉睫。碳材料因轻质、高熔点、强损耗能力等特点在电磁防护领域应用广泛，但高温环境下碳材料易氧化失效。因此在碳基体中引入高热稳定性与抗氧化性的介电陶瓷材料，成为解决碳基吸波材料高温失效的有效途径。碳化硅作为宽禁带半导体，具备优异的机械性能、耐腐蚀性及高温稳定性，通过硅蒸气沉积可在碳基体中原位生成碳化硅，既能消耗部分石墨碳优化阻抗匹配，又能提升基体抗氧化性与热稳定性，还可构筑异质界面增强极化损耗。但碳化硅密度显著高于热解碳，单一引入会削弱碳基材料的轻质优势，因此构建中空SiC/C纳米纤维气凝胶，有望实现轻量化、高稳定性与高效吸波的协同，为应对高温电磁防护挑战提供综合解决方案。

3、文章亮点

通过简单的水热-碳热还原法成功构建了一种新型中空SiC/C纳米纤维气凝胶。该气凝胶表现出轻质、弹性、抗疲劳以及高温稳定等特性。由于特殊的中空纳米纤维结构使气凝胶在阻抗匹配与衰减能力之间取得平衡，气凝胶还具有优异的电磁波吸收性能。

4、研究结果及结论

本文采用水热-碳热还原法制备了中空SiC/C纳米纤维气凝胶。首先采用水热法合成同轴纳米电缆结构的AgNW@PVA。AgNW@PVA同轴纳米电缆结构长度可达几百微米。继而通过冷冻干燥得到了AgNW@PVA气凝胶。最后将AgNW@PVA气凝胶与纳米硅粉共混并进行高温热处理，生成中空SiC/C纳米纤维气凝胶。通过控制热处理温度、反应物C/Si比有效调控了中空纳米纤维的形貌与组分含量。

基于显微结构与物相分析，中空SiC/C纳米纤维外壳由碳化硅晶粒与热解碳组成，HRTEM清晰显示出碳化硅(111)的晶格条纹，层间距为0.25 nm。中空SiC/C纳米纤维丰富的异质界面为材料的极化损耗提供了结构基础。

图1 中空SiC/C纳米纤维的(a-c) TEM图, (d) SAED图, (e-h) 元素面分布, (i) XRD谱, (j) Raman谱, (k-n) XPS谱。

通过开尔文探针力显微镜（KPFM）和有限元分析发现SiC/C纳米纤维特殊的中空结构有效平衡了材料的阻抗匹配与电磁波衰减能力，从而提高了纤维的吸波性能，其厚度为2.4 mm时，有效吸收带宽可达7.0 GHz（11.0-18.0 GHz）；厚度为1.4 mm时，最小反射损耗为-63.5 dB。除此之外，热重分析和高温电磁参数测试证明了中空SiC/C纳米纤维具有优异的高温稳定性，在高温电磁波防护领域具有广阔应用前景。

图2 不同样品的M_z图与反射损耗3D图（a, d）S1300，（b, e）S1400，（c, f）S1500，中空SiC/C纳米纤维的KPFM图（g）高度，（h）表面电势，（i）相位差，中空SiC/C纳米纤维的模拟结果（j-k）电场模，（l）功率损耗密度。

中空SiC/C纳米纤维中丰富的异质界面增强了界面极化损耗能力，连续的纤维导电网络提供高效电导损耗，独特的中空结构同步优化阻抗匹配，三者协同使其展现出优异的电磁波吸收性能。仿真结果表明，该材料的雷达散射截面（RCS）在垂直入射方向较理想电导体（PEC）板降低了37.3 dB·m²，展现出显著的远场吸收能力。

图3 不同样品的雷达散射截面（RCS）仿真结果（a）S1300，（b）S1400，（c）S1500，（d）不同探测角度的RCS值，（e）与其他工作性能对比雷达图，（f）吸波机理示意图。

综上，本研究成功制备了具有中空结构的SiC/C纳米纤维气凝胶，其丰富的异质界面与特殊中空结构平衡了材料的衰减能力与阻抗匹配，表现出宽频段强吸收的吸波特性。同时，该材料具有良好的弹性、抗疲劳性与高温稳定性，展现出在高温环境下的应用潜力。该工作为发展兼具高效电磁吸收与高温稳定性的陶瓷吸波材料提供了新的设计策略。

5、作者及研究团队简介

王广胜，北京航空航天大学教授、博士生导师，化学学院副院长。带领团队长期致力于电磁功能材料及纳米复合材料的可控制备和特性调控相关研究工作，在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊上发表SCI论文150余篇（ESI高被引论文18篇，热点论文3篇），H引用因子58，被引11000余次，授权发明专利7项。作为负责人承担国家自然科学基金、GF项目等20余项，多次入选“全球前2％顶尖科学家”，受邀担任了Nano-Micro Letters青年编委、中国复合材料学会介电高分子复合材料与应用专业委员会委员、电磁复合材料及应用专业委员会委员、广东省石墨烯标准化技术委员会委员、IET Nanodielectric编委、International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials客座编辑等。

个人主页：https://sce.buaa.edu.cn/info/1023/9444.htm

研究方向：电磁功能材料及纳米复合材料

作者邮箱：wanggsh@buaa.edu.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0002-2408-9260

《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，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。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，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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