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郑州大学范冰冰团队：多组分SiC陶瓷纤维膜分子设计及其高效电磁波吸收精选

已有 9354 次阅读 2026-7-21 11:29 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

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

Cite this article:

Huang G, Zu D, Jiang X, et al. Phase evolution and broadband electromagnetic wave absorption mechanisms of electrospun polymer-derived SiC-based fibrous ceramic membranes. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221349

文章DOI： 10.26599/JAC.2026.9221349

ResearchGate：Phase evolution and broadband electromagnetic wave absorption mechanisms of electrospun polymer-derived SiC-based fibrous ceramic membranes

基金支持：

河南省重大科技专项（261100320100），中原千人计划-科技创新领军人才（264200510043），国家自然科学基金（52572086/52502079），河南省重点研发计划项目（251111232100），2025年英国皇家学会Wolfson基金（RSWVF/25/R1/1008），河南省自然科学基金（242300421009），中国博士后科学基金（2024M760816）。

一、导读

近期，郑州大学范冰冰团队结合静电纺丝与聚合物衍生陶瓷（PDC）技术，成功制备出多相SiC基陶瓷纤维膜。通过调控聚碳硅烷（PCS）含量和热解温度，实现了β-SiC、SiO_xC_y和自由碳多相组分的协同构筑，有效突破了传统SiC陶瓷阻抗匹配与介电损耗难以兼顾的瓶颈。优化后的多相SiC陶瓷纤维膜在2.7 mm厚度下实现8.22 GHz有效吸收带宽，覆盖9.78-18 GHz频段，展现出优异的宽频吸波性能。

二、研究背景

随着航空航天、电子信息和无线通信技术的快速发展，轻质、高效、宽频电磁波吸收材料已成为电磁防护与隐身领域的重要研究方向。碳化硅（SiC）陶瓷凭借优异的耐高温、耐腐蚀和力学性能，被认为是极具应用潜力的吸波材料。然而，传统SiC陶瓷普遍存在介电损耗不足、阻抗匹配较差等问题，难以兼顾轻量化、强吸收和宽频吸波性能。聚合物衍生陶瓷（PDC）技术能够从分子尺度精准调控陶瓷组成，结合静电纺丝构筑轻质三维纤维网络，为提升SiC基陶瓷吸波性能提供了新的技术路径。然而，前驱体组成和热处理工艺如何协同调控SiC基纤维陶瓷的物相演化、微观结构及电磁波吸收性能，其内在机制仍有待深入揭示。

三、研究亮点

（1）构建多相协同调控新策略

研究团队创新提出PCS含量与热解温度双参数协同调控策略，成功构筑由纳米β-SiC、SiO_xC_y和自由碳组成的多相结构。在热解过程中，SiO_xC_y分解释放气体并原位形成丰富异质界面和微孔结构，实现多重散射与界面极化的协同增强，为提升电磁波吸收性能提供了新的材料设计思路。

（2）揭示宽频吸波的多相协同机制

研究系统揭示了前驱体组成和热解工艺对多相结构演化及电磁性能的调控规律，阐明了异质界面、缺陷结构和导电网络协同优化阻抗匹配与介电损耗的内在机制，并建立了“前驱体组成-相组成-微观结构-电磁性能”的构效关系，为聚合物衍生SiC基吸波材料设计提供了理论依据。

（3）实现轻质宽频高效吸波

优化后的多相SiC基陶瓷纤维膜在2.7 mm厚度实现8.22 GHz有效吸收带宽，覆盖X波段和Ku波段，同时具有优异的雷达散射截面（RCS）抑制能力，在航空航天、电磁防护、电子信息和隐身技术等领域展现出广阔的应用前景。

四、研究结果及结论

1. 物相与微观结构演化规律

随着PCS添加量增加，β-SiC结晶程度和碳石墨化程度逐步提高（图1（a）、（b）），纤维直径由0.373 μm增加至0.625 μm（图1（d）-（f）），1400 ℃热解时形成稳定的β-SiC/SiO_xC_y/自由碳多相结构。与此同时，纤维独特的竹节状形貌及热解过程中原位形成的丰富微孔共同构建了多尺度电磁波散射通道，有效延长电磁波传播路径，并优化导电网络连续性，实现阻抗匹配与电磁能量耗散的协同提升。

图1. 多相SiC陶瓷纤维膜的物相与微观结构表征。

2. 电磁吸收性能

研究发现，PCS含量和热解温度共同决定了材料的物相组成与电磁性能。随着PCS含量增加，SiC结晶相和自由碳含量逐渐提高，介电损耗能力持续增强。但当PCS含量过高时，连续导电碳网络的形成会导致阻抗失配，反而削弱吸波性能。同样，过低的热解温度会造成陶瓷化不充分，而过高的热解温度则会引起自由碳过度石墨化和微孔减少，两者均不利于电磁波吸收。研究团队最终确定1.4 g PCS与1400 ℃热解为最佳工艺条件，构筑出由β-SiC、SiO_xC_y和自由碳组成的协同多相结构，兼具丰富异质界面、多孔纤维网络和适度导电通道，实现了极化损耗、电导损耗与阻抗匹配的协同优化，从而获得轻质、薄层、宽频、高效的电磁波吸收性能。

图2. 不同PCS含量的多相SiC基陶瓷纤维膜的介电参数与吸波性能。

图3. 不同热解温度的多相SiC基陶瓷纤维膜的介电参数与吸波性能。

3.吸波协同机制

研究进一步揭示了材料实现宽频高效吸波的内在机制。入射电磁波进入三维纤维网络后，竹节状纤维结构与丰富微孔共同延长了电磁波在材料内部的传播路径，增强了多重反射与散射效应。由β-SiC、SiO_xC_y和自由碳构成的多相异质界面促进了界面极化，结构缺陷和不对称化学键进一步增强偶极极化，而适度连续的导电碳网络则提供了电导损耗。多种能量耗散机制协同作用，其中极化损耗占主导地位，使电磁能量得到高效衰减。同时，互连纤维骨架和多孔结构能够快速传导损耗产生的热量，有效避免局部热量积聚，进一步提升了材料的服役稳定性。

图4. (a)RCS仿真曲线；(b)-(c)PEC及PCS-1.4-1400的CST仿真结果；(d)其他吸波材料的有效吸收带宽与厚度对比；(e)SiC基纤维膜的微波耗散机制示意图。

五、作者及研究团队简介

范冰冰（通讯作者），郑州大学教授/博士生导师，主要从事电磁波与材料相互作用机理（透波、吸波和屏蔽）研究。主持国家自然科学基金4项、河南省重大科技专项、河南省杰出青年基金、英国皇家学会Wolfson基金等项目20余项，获河南省技术发明一等奖、第二十四届中国专利奖银奖等奖励10余项。发表SCI论文110余篇，其中ESI高被引论文16篇，热点论文10篇，授权发明和实用新型专利30余项。

作者邮箱：fanbingbing@zzu.edu.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0002-1168-1142

黄高昂（第一作者），郑州大学材料科学与工程学院硕士研究生，主要研究方向为高温功能材料。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1） Li M, Li W, Wang Y, et al. Entropy-driven microwave absorption enhancement in hexagonal (Ba_1/3Sr_1/3Ca_1/3)FeO₃ perovskite. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(4): 9221059. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221059

2） Li Y, Zhang M, Chen J, et al. Ceramic-based electromagnetic interference shielding materials: mechanisms, optimization strategies, and pathways to next-generation applications. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221194

3） Wu C, Zhang F, Zhi Q, et al. From binary to ternary and back to binary: Transition of electromagnetic wave shielding to absorption among MAB phase Ni₃ZnB₂ and corresponding binary borides Ni_n₊₁B_n (n = 1, 3). Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(11): 2101-2111. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220812

《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、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34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；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。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。