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火箭军工程大学汪刘应/西北工业大学卿玉长联合团队：实现温度不敏感介电特性的多异质界面轻质陶瓷以运用于高温电磁波有效吸收精选

已有 5680 次阅读 2025-8-1 09:57 |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:

Wang W, Wang L, Huang J, et al. Multi-heterointerface lightweight ceramics achieving temperature-insensitive dielectric properties for high-temperature electromagnetic wave effective absorption. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221135

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221135

ResearchGate: Multi-heterointerface lightweight ceramics achieving temperature-insensitive dielectric properties for high-temperature electromagnetic wave effective absorption

1、导读

传统电磁波吸收材料在耐高温方面的局限性激发了各领域对高温电磁波吸收材料开发的兴趣。然而，由于材料介电常数具有温度依赖性，如何实现宽温域电磁波有效吸收仍然是高温电磁波吸收材料所面临的一大挑战。近日，火箭军工程大学汪刘应教授团队联合西北工业大学卿玉长教授团队，提出了一种在聚合物衍生陶瓷过程中原位构建多异质界面的新颖的分子级策略，以获得具有温度不敏感介电特性的高温电磁波吸收材料。这种开发温度不敏感介电陶瓷的方法显著提升了高温电磁波吸收材料的性能和功能，为高效高温吸波材料的开发提供了参考与指导。

图1 基于分子尺度设计的MHLCs及其介电和隔热性能。

2、研究背景

能够在高温环境下高效工作的电磁波吸收材料已成为航空航天、核能以及民用领域的研究热点。然而，现有的高温电磁波吸收材料不仅面临在极端环境下热稳定性方面的挑战，更关键的是在宽温域内实现良好的阻抗匹配方面也面临重大难题。这一难题主要源于材料介电常数随温度变化而产生显著波动。尽管一些关于高温电磁波吸收材料的研究已经认识到实现宽温域电磁波吸收的挑战源于介电常数的温度敏感性，但仍然未从温度相关介电常数的基本机理入手而提出有效的解决策略或方法。因此，基于温度相关介电常数的演变机制，在分子尺度上设计材料以获得具有温度不敏感特性的介电常数，对于高温电磁波吸收材料的发展更具指导意义和普适性。

3、文章亮点

(1)采用PDCs路线在无定形SiOCN基体中原位构建多相异质结构，显著提高异质界面的电荷转移效率。

(2)基于分子尺度设计，在有效增强界面极化的同时有效降低了介电常数对电导率的依赖，从而降低了陶瓷介电常数的温度敏感性。

(3)优异的宽温域吸波性能，以及高热稳定性、低密度、低热导率、高弯曲强度的多功能特点。

4、研究结果及结论

结合PDCs并结合自牺牲模板策略，成功制备了多异质界面轻质高温电磁波吸收陶瓷（MHLCs）。在热解过程中，在无定形SiOCN基体形成由β-SiC和β-Si₃N₄构成的多相异质结构。

图2 MHLCs的制备过程及孔隙结构：(a) MHLCs 的制备示意图；(b) 光学照片和(c) MHLCs 的微观形貌；(d) C、N、Si 和 O 的相应元素映射结果；(e) MHLCs 表面多孔结构的 CLSM 图像；(f) 样品在热解前（左）和热解后（右）的光学照片。

揭示了MHLCs在裂解过程中相结构的演变过程。结合XRD图谱、TEM结果和GPA分析证实了异质结构的形成，并揭示了异质界面处的应力分布差异。

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图3 MHLCs的相结构演变及表征：(a) MHLCs在热解过程中的相结构演变示意图；(b)原位加热XRD图谱；(c) FT-IR光谱；(d) TEM图像；(e) GPA分析得出的异质界面区域的应变分量；高分辨(f) Si 2p、(g) C 1s 和(h) N 1s的XPS光谱。

为了深入了解异质界面形成和温度对载流子跃迁及偶极子运动在原子层面的影响，采用从头算分子动力学（AIMD）模拟研究了不同温度下MHLCs的结构变化。在300 K至1473 K的温度范围内对沿Y轴的平面平均电荷密度分布进行定量分析表明，电子迁移率随温度升高而显著增加。位于4 nm和10 nm位置的异质界面处的电子表现出更强的电子转移效率。径向分布函数（RDF）曲线进一步显示，热振动引起的化学键的断裂和扩散导致电子云分布的不均匀性增强，从而提高了MHLC的动态极化率。态密度（DOS）的分析揭示了异质结构的形成对电子能级分布的影响。在高温条件下，自旋-轨道耦合效应显著增强，导致本征带隙内的能级出现明显分裂，从而增加了载流子浓度和迁移率。

图4 MHLCs的AIMD模拟及介电特性：(a) 温度诱导的多异质界面结构演变过程；(b) 原子电荷差密度以及(c) 多异质界面结构与温度相关的平面平均电荷密度；(d-e)不同温度下径向分布函数；(f) 不同温度下多异质界面结构的计算态密度；(g) MHLC的介电常数、(h) 导电损耗损耗和极化损耗值、(i) Cole-Cole曲线以及(j) 介电性能增强机制。

得益于界面极化的有效增强以及降低介电常数对电导率的依赖，介电常数表现出显著的温度不敏感特性。温度相关介电常数表征表明，即使温度从25 ℃升高到900 ℃，实部的最大值仅从4.45变为6.47，而虚部的最大值仅从0.88变为2.21。

图5 不同温度下MHLCs的介电常数、极化损耗因子和Cole-Cole曲线。

不同温度下X波段反射率损耗曲线证明了MHLCs所具有的宽温域电磁波吸收性能。并进一步揭示了本研究的基本理念，即通过限制材料的电导率并增强界面偶极子极化来开发高性能的高温电磁波吸收材料。

图 6 高温下MHLC的电磁波吸收性能及机制：厚度分别为(a) 3.40 mm和(b) 9.41 mm时的反射损耗；(c) 700 ℃时不同厚度的反射损耗；(d-e) 不同温度下和厚度的归一化输入阻抗；(f-h) MHLC覆盖飞行器模型的RCS结果；（i）MHLCs温度相关介电常数的演变机制。

除宽温域电磁波吸收性能外，MHLCs所具有的低密度、高强度和低热导特性体现了其耐高温、轻量化、可承载和隔热的多功能集成，因此在极端复杂的工况下展现出一定的应用潜力。有别于传统吸波材料的功能单一的困境，MHLCs 有望成为诸如高速飞行器热防护系统、航空航天工程中的热端部件以及新能源领域热管理系统等恶劣环境中的理想候选材料。

图7 MHLCs多功能特性：(a) TG-DSC曲线；(b) 氮气吸附-脱附等温线和孔径分布；(c)分级孔结构；(d) 热导率随温度的变化和隔热性能；(e) 压缩强度和弯曲强度；（f）MHLCs与近期报道的多孔陶瓷材料的综合物理性能比较。

5、作者及研究团队简介

汪刘应（通讯作者），教授，博士生导师。国家百千万人才工程国家级人选，授予有突出贡献的中青年专家，中国科协“求是”杰出青年奖获得者，陕西省重点科技创新团队负责人，陕西省“特支计划”高层次科技创新领军人才，陕西省中青年科技创新领军人才。主要从事特种功能材料与涂层技术研究，先后获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖3项、二等奖6项，国家发明展览会“金奖”2项，获发明专利30余项，出版专著4部、教材8部，发表学术论文200余篇。

卿玉长（通讯作者），教授，博士生导师。入选国家级青年人才，辐射探测材料与器件工信部重点实验室副主任，获陕西省青年科技新星、“陕西青年五四奖章”、西北工业大学“翱翔青年学者”等荣誉。长期奋战在高温特种功能材料技术攻关及其产品开发科研一线，研制的系列高温特种功能材料在航空航天领域实现批量应用，获得国家技术发明二等奖、国防技术发明一等奖等奖项。已发表论文100余篇，论文被引次数5000多次，授权发明第一发明人专利30余项，授权其他发明人专利20余项。

刘顾（通讯作者），教授，博士生导师，陕西省特支计划科技创新领军人才，创新人才工程青年科技英才，陕西高校青年创新团队带头人，陕西省优秀博士论文获得者。获省部级科技进步一等奖1项、二等奖5项、三等奖2项，全国发明创业奖创新奖1项，陕西高校科学技术一等奖1项，出版专著1部、教材4部，申请和授权专利36项，发表学术论文100余篇，SCI、EI收录50余篇。

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

1）Zhang L-C, Luo F, Zhou Y-Y, et al. Enhanced thermal radiation blocking and high temperature stability of nano-YSZ thermal barrier coatings through carbon film coating. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221111

2）Li Y, Qing Y, Zhang Y, et al. Simultaneously tuning structural defects and crystal phase in accordion-like Ti_xO_2x−1 derived from Ti₃C₂T_x MXene for enhanced electromagnetic attenuation. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(10): 1946-1960. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220799

《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。