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原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Liu C, Mao K, Sun H, et al. Integrated design of multifunctional paraffin-impregnated porous ceramic metastructures for electromagnetic waves absorption and thermal management. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221155
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221155
1、导读
为满足复杂应用场景下对雷达和红外隐身材料日益增长的需求，本研究通过真空浸渍工艺，将SiCN陶瓷、多孔陶瓷和相变材料（PCM）结合，开发了一种多功能集成复合材料。所得复合材料最低反射损耗为-31.29 dB。PCM通过相变缓冲复合材料的温度波动。在90℃下加热42 min，复合材料与外部热负荷保持36.6℃的温差。这种特殊的热缓冲能力确保了复合材料稳定的隔热和红外隐身功能，该设计为推进多功能电磁波吸收材料的发展提供新的见解。
2、研究背景
随着无人机、精密电子等装备向高隐身、高可靠性发展，对材料的需求已从“单一功能”转向“多功能协同”。研究人员希望材料既能满足高效的电磁波衰减，避免被探测，也可以抑制红外辐射，降低装备在红外探测下的暴露风险，同样具备隔热能力，防止过热导致功能失效，另外，还具有承受一定抗外部机械冲击的能力保证结构稳定。
为解决这一问题，研究团队将目光投向人工超结构——三周期极小曲面结构（TPMS）。该结构可在宏观尺度上调节电磁参数以优化阻抗匹配，同时兼顾机械强度。但如何在其基础上集成隔热与红外隐身功能，仍是关键挑战。在此背景下，聚硅氮烷前驱体被选为制备TPMS结构，其通过3D打印工艺，满足成型条件。高温热解后，陶瓷前体转化为无机TPMS-SiCN陶瓷，该陶瓷可作为微波吸收功能的核心材料。为实现隔热和红外隐身功能，引入相变材料（PCM），其中石蜡因其优越的潜热能力而被选中，可实现高效的热缓冲。多孔SiOC陶瓷被集成在TPMS-SiCN陶瓷和石蜡之间，作为这两种材料之间的桥梁。陶瓷的微/纳米孔隙在物理上约束了石蜡，从而在液化过程中减少泄漏。此外，多孔SiOC陶瓷引入丰富的微/纳米界面，通过诸如多次反射和散射等机制增强电磁波衰减。该复合材料，成功实现材料的多功能协同。
3、文章亮点
（1）利用光固化3D打印技术精确制造TPMS-SiCN陶瓷骨架，具备电磁波吸收能力；
（2）加入石蜡，通过相变缓冲温度波动，实现隔热与红外隐身；
（3）加入多孔SiOC陶瓷，作为SiCN与石蜡的“桥梁”，通过微纳孔隙物理约束石蜡，有效解决材料中石蜡在高温下液化泄漏的问题；
（4）多孔SiOC陶瓷增强电磁波的多重反射与散射，协同提升吸波性能。
4、研究结果及结论
图1（a）为SiOC陶瓷（MC）和SiCN陶瓷框架（GS）的XRD谱图。MC中仅存在一个典型的无定形峰。GS中有C相以及β-SiC。复合材料（P-MCGS）在2θ=21.17°和2θ=23.53°处存在两个明显的衍射峰，分别对应石蜡的（110）和（200）晶面，如图1（b）所示，这与纯石蜡的特征衍射峰位置相一致。TEM分析证实C相、涡轮碳以及β-SiC的存在。晶相与非晶基质之间以及不同晶相之间的异质界面增加介电极化损耗，并改善电磁波吸收性能。
复合材料中的C相通过拉曼光谱进一步进行分析，如图2（f）。通常用ID/IG反映材料中碳的石墨化程度。GS的石墨化程度更高，有利于提高介电损耗。同时表明P-MCGS中的GS在微波吸收过程中起着主要作用。
图1 MC、GS和P-MCGS的XRD图谱（a，b）和拉曼光谱（f）；GS的TEM图像（c-e）。
MC中的孔隙被石蜡（PW）填充，且与GS紧密结合，整体结构完整（图2）。PW为透波材料，电磁波仍会在多孔MC中多次反射。MC中的孔隙主要是大孔，孔隙率约为77.79%。孔径分布范围为85-6291 nm，分布广泛（图3）。结合SME可以看出，MC内部形成了相互连通的高孔隙率孔隙结构。可使PW被吸收并封装在多孔MC中，防止PW在熔化温度下泄漏。高度多孔的结构同时增强界面极化，诱导电磁波的多次衰减。
图2 GS（a-b），MC（c-d）以及P-MCGS（e-f）的SEM图像。
图3 （a）孔径分布曲线，（b）氮气吸附-脱附等温线图，（c）MC的孔径分布图；（d）不同样品的热重曲线。
GS（图4（a））和含有GS材料的P-MCGS（图4（d））表现出出色的微波吸收性能。在4.23 mm的相同厚度下，GS的最低反射损耗（RLmin）为-11.44 dB，而P-MCGS的RLmin为-31.29 dB。GS的有效吸收带宽可以覆盖整个X波段，而P-MCGS的有效吸收带宽仅减少0.15 GHz，且在9.48-10.44 GHz频段（图4（e，f）），P-MCGS的RL低于-20 dB，超过99%的电磁波被吸收。
图4 不同样品的三维反射损耗图：（a）GS，（d）P-MCGS和（g）MC；三维反射损耗投影图：（b）GS，（e）P-MCGS和（h）MC；反射损耗曲线：（c）GS和（f）P-MCGS。
在高温下P-MCGS形状稳定，液体石蜡有效地被封存于样品的多孔微结构中。P-MCGS通过石蜡相变吸收热量，减少向外辐射的能量，控制自身表面温度，从而达到红外隐身的效果（图5、6）。
图5 不同加热条件下（58℃和90℃）材料的实时温度变化情况：（a，b，d和e）P-MCGS；（g，h）填充PW的GS；（c）材料的热导率；90℃下样品加热前后图像：（f）P-MCGS；（i）填充有PW的GS。
图6 （a-c）温度稳定时温度监测点及温度值；（d-j）P-MCGS的实时温度变化情况。
5、作者及研究团队简介
郭学（通讯作者），山东理工大学材料学院副教授，博士生导师，山东省高等学校“青创团队计划”团队责任人。主要研究方向为电磁功能材料及特种陶瓷；发表学术论文40余篇、获得授权国家专利3项、参与制定中国建材行业标准4件（首位1件）、获得山东省材料学会科技成果奖一等奖1项（1/7）；主持国家自然科学青年基金、山东省高等学校“青创团队计划”团队项目、山东省自然科学基金面上项目、山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目、中国博士后基金面上项目、山东省自然科学博士基金、山东省博士后创新项目、国防/教育部重点实验室开放基金和多项企业横向课题项目。
冯玉润（通讯作者），山东理工大学材料学院讲师，硕士研究生导师，毕业于山东大学和意大利帕多瓦大学。主要从事电磁吸波材料、聚合物转化陶瓷材料、陶瓷3D打印等研究。主持国家自然科学青年基金、山东省自然科学基金青年基金等科研项目4项，参与装备预研教育部联合基金、国防重点实验室开放课题等多项军工项目；以第一作者或通讯作者发表SCI收录论文20余篇；获授权发明专利4项。
刘畅（第一作者），山东理工大学材料科学与工程学院硕士研究生。
《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。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
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