多功能SiC/f/ZrC-TiC陶瓷泡沫，具有出色的热稳定性：具备协同作用的宽带电磁波吸收性能、承载能力和隔热性能

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Multifunctional SiC f/ZrC-TiC ceramic foam with outstanding thermal Stability: Synergistic broadband electromagnetic wave Absorption, Load-Bearing, and thermal insulation

SiC纤维增强的ZrC-TiC陶瓷泡沫通过自发泡法制备，具有高电磁波吸收（RL_min=-63.5dB）、优异机械性能（压缩强度41.3MPa）和耐高温特性（1600℃循环后性能稳定）。

　　

刘家琦|李翠燕|欧阳海波|沈天展|张帅|王新诺|牛新庚

中国陕西科技大学材料科学与工程学院绿色制造与无机材料功能应用重点实验室，西安710021

摘要

功能陶瓷泡沫是一种具有电磁吸收、承载能力、隔热性和热稳定性等优点的候选材料，能够满足现代航空航天技术中极端环境的挑战。在本研究中，将SiC纤维引入ZrC-TiC陶瓷泡沫中，以提高其机械性能和电磁波吸收性能。采用简单的前驱体自发泡方法制备了SiC_f/ZrC-TiC陶瓷泡沫，其孔隙率为76.9%，密度为0.31 g/cm³。SiC纤维的引入使SiC_f/ZrC-TiC陶瓷泡沫具有优异的承载能力，抗压强度达到41.3 MPa。同时，SiC纤维的加入显著提升了其电磁波吸收性能，最小反射损耗（RL_min）为-63.5 dB，最大吸收带宽（EAB_max）为6.04 GHz。高孔隙率使其具有较低的热导率（0.231 W·m^?1·K^?1）。特别是，SiC_f/ZrC-TiC陶瓷泡沫在高温下表现出出色的稳定性：经过10次1600°C的热循环后，抗压强度仍保持在30.7 MPa，最大吸收带宽为5.28 GHz（最小反射损耗RL_min为-57.2 dB）。SiC_f/ZrC-TiC陶瓷泡沫的多功能协同优势为航空航天领域多功能防护材料的设计提供了可行的策略。

引言

航空工业和国防技术的快速发展推动了超音速飞机性能的提升，因此其热端部件和电子信息系统面临更加严峻的服役挑战，包括复杂的电磁干扰、巨大的机械载荷和频繁的高温冲击[1]、[2]、[3]、[4]。目前，基于碳、聚合物和金属的功能复合材料可以实现多种功能的集成，如抗电磁干扰和隔热[5]、[6]、[7]。然而，由于碳材料易氧化以及金属材料密度较高的固有缺点，传统功能复合材料难以在极端环境中同时满足轻量化和“电磁-机械-热”多功能的协同应用要求[8]、[9]、[10]。因此，开发具有多功能协同效应的轻质防护材料对航空航天和国防应用至关重要[11]。

近年来，研究人员专注于轻质基体与功能增强剂之间的协同作用，以实现电磁波吸收和承载能力等多功能集成[12]、[13]。基于这一策略，陶瓷基功能复合材料凭借其高强度、耐高温、可调介电参数和优异的热稳定性，逐渐成为电磁波吸收和承载能力等多功能应用场景的核心竞争者[14]、[15]、[16]。通常，陶瓷基功能材料的制备是通过多孔基体和功能增强剂来实现的[17]、[18]。具体而言，通过在多孔基体中添加或原位合成具有优异介电性能和机械强度的功能增强剂，可以借助各组分之间的协同效应实现高效的电磁波吸收和良好的承载能力。Bai等人[19]通过真空浸渍和热处理工艺制备了多孔SiCN_nw/C/Si₃N₄陶瓷。SiCN_nw、C和Si₃N₄形成的多种异质界面，以及SiCN_nw作为吸收剂的纳米纤维网络，使得该陶瓷具有6.30 GHz的最大吸收带宽（EAB）和-61.24 dB的最小反射损耗（RL_min）。Yan等人[20]通过空心骨架和界面工程制备了具有高机械强度的SiC气凝胶，该气凝胶的密度低至0.06 g/cm³，同时保持2.86 MPa的抗压强度；当厚度为3.3 mm时，其具有6.7 GHz的宽带吸收带。上述研究表明，利用具有优异介电性能和机械强度的多孔陶瓷作为基体，并加入功能填料，可以通过各组分的协同效应实现多功能集成。

ZrC作为一种广泛应用的高温陶瓷，具有耐高温、抗氧化和高硬度的特点，常被用作耐高温陶瓷基体[21]、[22]。此外，ZrC还具有优异的高温稳定性和理想的导电性，适用于极端环境中的电磁波吸收材料[23]、[24]。然而，由于阻抗匹配较差等缺点，单组分ZrC的电磁波反射率较高，无法有效吸收电磁波。通过在ZrC基体中引入具有类似晶体结构的增强相，可以有效解决这一问题。TiC作为一种常见的超高温陶瓷，其晶体结构与ZrC相似。由于原子半径相近，Zr和Ti在烧结后可以形成连续固溶体，晶格畸变会进一步影响材料的电磁波吸收和承载性能[25]。根据我们之前的研究，添加TiC的ZrC陶瓷泡沫的电磁波吸收性能明显优于单组分ZrC陶瓷泡沫[26]，这主要是因为TiC在ZrC基体中均匀分布后，可以有效调节材料的阻抗匹配行为，从而实现电磁波的充分吸收[27]、[28]。然而，仅依靠Ti掺杂来改善ZrC泡沫的阻抗匹配在提升电磁波吸收性能方面仍存在局限性。同时，陶瓷泡沫的丰富孔隙率限制了其承载能力的发挥。因此，基于陶瓷材料实现多功能集成的关键在于选择合适的功能填料。SiC纤维（SiC_f）是一种宽带隙半导体材料，具有优异的介电性能，被认为是理想的电磁波吸收填料[29]；其高拉伸强度（3 GPa）也赋予了其良好的承载能力[30]。将SiC_f添加到轻质陶瓷基体中，可以同时提升材料的承载能力和电磁波吸收性能。

在本研究中，将SiC_f作为电磁波吸收剂和机械增强剂加入到ZrC-TiC陶瓷泡沫基体中，通过自发泡工艺一步合成了兼具电磁波吸收、承载能力和隔热性的多功能SiC_f/ZrC-TiC陶瓷泡沫。系统研究了SiC_f含量对陶瓷泡沫电磁波吸收能力和承载能力的影响。SiC_f的加入在原有的多孔骨架中形成了不同尺度的导电网络，有助于电磁波的衰减，显著提升了复合陶瓷的电磁波吸收性能。同时，SiC_f还增强了陶瓷泡沫的机械强度，使其具有更高的承载能力。经过10次1600°C的热循环后，SiC_f/ZrC-TiC陶瓷泡沫的抗压强度仍保持在30.7 MPa，最大吸收带宽为-57.2 dB（EAB_max为5.28 GHz），显示出优异的结构和性能稳定性。这项工作有望为多功能陶瓷基材料的设计与开发提供新的思路。

材料

氯化锆（ZrCl₄，纯度99.9%）、氯化钛（TiCl₄，纯度99.9%）和呋喃醇（C₅H₆O₂，AR 98%，FA）由中国Aladdin Reagent Co., Ltd.提供；无水乙醇（99.9%）由中国Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.提供。上述试剂均为分析纯度。切碎的SiC纤维（SiC_f，长度：1 mm，直径：约10 μm）由中国河南范瑞复合材料研究院有限公司提供。

ZrC-TiC陶瓷泡沫的制备

氯化锆和氯化钛...

SiC_f/ZrC-TiC陶瓷泡沫的结构与形貌

在整个聚合发泡过程中，Zr⁴⁺和Ti⁴⁺阳离子作为路易斯酸，与呋喃醇（FA）引发聚合反应。加入FA后，首先是FA的脱水缩合过程，此时整个反应体系以线性分子为主，交联程度较低。随着反应的进行，体系会持续释放热量并加剧发泡过程。

结论

采用简单高效的液相自发泡方法成功制备了SiC_f/ZrC-TiC陶瓷泡沫，其在电磁波吸收、承载能力、热管理和热稳定性方面表现出优异的综合性能。首先，SiC_f骨架的构建阻碍了电磁波的传播，使得陶瓷泡沫能够实现高效的电磁波吸收（最小反射损耗RL_min为-63.5 dB，最大吸收带宽EAB_max为6.04 GHz）。

CRediT作者贡献声明

刘家琦：撰写原始稿件、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。李翠燕：撰写原始稿件、指导研究、资金争取、概念构思。欧阳海波：撰写与编辑、指导研究、项目管理。沈天展：撰写与编辑、指导研究。张帅：数据验证与整理。王新诺：数据验证与整理。牛新庚：实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52372087）和陕西省自然科学基金（项目编号：2025SYS-SYSZD-062）的支持。