基于ZrB?的陶瓷复合材料，同时具备高温微波吸收能力和热管理性能

本研究提出利用高温氧化主动设计电磁波吸收材料的新策略。以ZrB2陶瓷为基体，其氧化生成的ZrO2通过调节介电常数优化阻抗匹配，并形成异质界面增强极化损耗，实现X波段1073K下2.4mm厚度材料92.8%有效吸收率，同时保持优异热管理性能。

　　

戴梦宇|邓玉萌|王倩|任斌|余航|王长梅|贾玉军|李和军

中国西北工业大学陕西纤维增强轻质复合材料重点实验室，西安710072

摘要

传统的高温电磁波（EMW）吸收材料设计原则侧重于在材料设计过程中最小化氧化现象。相比之下，我们的研究引入了一种适用于高温EMW吸收的额外机制：一种主动利用氧化过程的策略。我们证明了像ZrB₂这样的陶瓷的高温氧化行为可以用来动态优化EMW吸收性能。氧化后原位形成的ZrO₂相具有双重功能：它作为介电调制器，通过平衡不断增强的电导率来优化阻抗匹配，同时生成异质界面，显著增强界面极化损耗。这种多机制协同作用使复合材料在1073 K时能够在X波段实现3.9 GHz的有效吸收带宽（EAB），厚度为2.4 mm，并保持92.8%的有效吸收率（X波段），同时还具备优异的热管理性能。我们的发现揭示了一种利用高温氧化来设计适用于恶劣环境中的先进复合材料的新方法。

引言

随着现代军事技术的迅速发展，隐身技术在提高军事装备的生存能力和作战效能方面发挥着越来越重要的作用[1,2]。X波段（8.2–12.4 GHz）由于其平衡的探测范围和分辨率，在火控雷达、卫星通信等关键系统中得到广泛应用，因此在该频段内开发高性能隐身材料成为研究的重点[3]。特别是在极端高温环境中，如隐身飞机和航空发动机的空气动力学热部件，对隐身材料的要求更高。这些环境不仅考验了材料的电磁性能，还对它们的综合性能（包括热管理和抗烧蚀性）提出了严峻挑战。

大量研究致力于探索各种电磁波（EMW）吸收材料。磁介电复合材料（例如Fe₃O₄/MWCNT [4]、SiC-Co [5]）由于其协同的磁损耗和介电损耗机制而显示出巨大潜力。然而，它们在高温下的实际应用受到居里温度以上不可避免的磁化损耗的严重限制[6]。因此，研究重点转向了全介电复合材料系统。基于陶瓷的复合材料由于其优异的抗氧化性和热稳定性，成为能够在恶劣环境中应用的候选材料[7,8]。Tang等人[9]将C-SiOC的前驱体与聚硅氧烷（PSO）封装在一起，使其具有更好的抗氧化性能，适用于高温吸收环境。Hou等人[10]通过化学气相渗透将Si₃N₄渗透到多孔还原氧化石墨烯（RGO）中，并在RGO层状表面上进行原位生长，确保了RGO在高温下的稳定性以用于EMW吸收。然而，这些材料的高温性能往往是其预先设计成分和结构的被动结果。这些材料对动态高温氧化环境的响应很少被作为主动设计元素来利用，以增强原位EMW吸收性能，而通常认为氧化过程会降低EMW性能。

因此，我们提出了一种从抑制氧化到利用氧化的概念性转变。我们不再将氧化仅仅视为一种失效机制，而是探索其作为电磁性能原位调制器的潜力。在这项工作中，我们利用原位高温氧化来增强超高温陶瓷（UHTC）复合材料的阻抗匹配和极化损耗，从而提高其在高温下的EMW吸收性能。锆硼化物（ZrB₂）是一种具有出色热稳定性和机械稳定性的UHTC，使其成为适用于苛刻环境中的非常有前途的陶瓷材料。ZrB₂固有的高电导率会导致与自由空间阻抗的严重不匹配，导致入射EMW在材料表面强烈反射，极大地限制了其作为EMW吸收材料的应用[11]。通过将氮化硼纳米管（BNNTs）与SiC介电材料结合，调整了室温下的介电常数[12,13]。特别是ZrO₂作为ZrB₂的氧化产物，具有相对较低的介电常数，被用来动态优化高温下的电磁性能。我们系统研究了所设计的ZrB₂-BNNTs/SiC-BNNTs复合材料在宽温度范围内的介电性能、热管理性能和烧蚀行为。与主要在室温下验证的结构策略相比，本文重点分析了高温氧化过程中的微观结构和相变及其对介电和EMW吸收能力的影响。我们证明了氧化过程并非完全有害；通过材料性能设计，可以利用它来优化阻抗匹配并增强界面极化损耗的有益效果。这项研究旨在为开发适用于极端环境的下一代材料提供新的设计思路，这些材料集成了隐身和热保护功能。

结果与讨论

实验细节见补充材料。实验步骤的示意图见补充材料中的图S1。质量变化率、热导率、线性和质量烧蚀率以及RCS是根据公式（S1）–（S5）计算/定义的。

结论

在这项工作中，系统研究了ZrB₂-BNNTs/SiC-BNNTs复合材料的高温EMW吸收和热管理性能。与传统的最小化氧化的方法不同，我们证明了在高温下控制ZrB₂的氧化是有益的。研究发现，ZrO₂作为介电调制器，其较低的介电常数有效平衡了复合材料在高温下的电导率升高。

作者贡献声明

戴梦宇：撰写——初稿、方法论、实验研究、数据管理。邓玉萌：软件开发、数据分析。王倩：撰写——审稿与编辑、数据分析。任斌：撰写——审稿与编辑、实验研究。余航：软件开发、方法论。王长梅：数据管理。贾玉军：项目监督、资金筹集。李和军：项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号52232005）、河南省自然科学基金（项目编号242300421186）、河南省科技研发计划联合基金（项目编号245200810047）、江苏省科技计划（项目编号BE2023044）以及西北工业大学博士论文创新基金（项目编号CX2025005）的支持。