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

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Xia Y, Wu M-X, Huang J-T, et al. Facilitating structural strengthening and electromagnetic wave absorption functionalization of dual-phase SiC ceramics via MBNS-dominated multiphase reinforcement strategy. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221234

文章DOI: 10.26599/JAC.2025.9221234 

ResearchGate：Facilitating structural strengthening and electromagnetic wave absorption functionalization of dual-phase SiC ceramics via MBNS-dominated multiphase reinforcement strategy

1、导读

随着国防军工、航空航天等领域的快速发展，对于兼具高结构可靠性与多功能属性的先进陶瓷材料的需求已日益增长。针对此，本文利用三辊差速剥离技术成功大批量制备了多层氮化硼纳米片（MBNS），创新设计了MBNS主导的复合增强相与双相SiC基体电磁吸波性能优化策略。该方法通过协同强韧化机制，使陶瓷材料的抗折强度提升~95%（477MPa），韧性提升~50%（6.03）；同时在低匹配厚度下，实现了-52.59dB@1.22mm的最小反射损耗与覆盖整个Ku波段的5.6GHz@1.09mm的优异电磁波吸收性能。这项工作实现了SiC陶瓷结构强度与吸波功能的一体化，为恶劣环境下服役的先进复合材料设计提供了新范式。

2、研究背景

在科技快速发展的当下，如航空发动机叶片，尾喷管腔体，精密轴承，抗辐射结构件等，不仅需要足够的机械强度来满足其服役可靠性，还需要具备良好的功能属性以满足多领域使用。碳化硅（SiC）陶瓷具有高强度、高硬度、化学稳定性好等优势，且SiC是一种宽带隙半导体，具有可调的介电性能，因此可作为在恶劣条件下应用的电磁波吸收材料，然而其低的断裂韧性与原始强度制约了SiC陶瓷的更大范围使用。MBNS因其与多层石墨烯（MLG）在结构和力学性能上的相似性，成为极具前景的二维结构功能增强材料。然而，MBNS在可扩展制备及有效界面组装方面的挑战，限制了其在陶瓷基材料中的应用。同时诸如超材料及多孔材料等往往更受电磁波吸收（EMA）领域研究者的青睐，这出于对电磁波的多重反射捕获空间、轻质化与高自由设计度的考虑。然而其本征结构强度（强度、韧性和硬度等）往往受到目的性的设计而被严重蚕食。因此在某些极端工作条件下，如高负载、高温高压、腐蚀辐射环境，其性能往往将不再可靠。因此，为构建具有高结构强度与优异电磁吸波性能兼具的一体化复合陶瓷材料，亟需一种新颖有效的增强策略。

3、文章亮点

通过三辊差速剥离技术，成功低成本、大批量地制备了结构完好的MBNS。针对以MBNS为主的复合增强相与双相α/β-SiC基体，创新性地设计了有效的改性增强策略，成功制备了MBNS增强的双相SiC复合陶瓷，验证了MBNS及改性增强策略对于SiC陶瓷强度与吸波性能的双重提升作用。

4、研究结果及结论

本文通过复合增强相前驱体转化策略结合快速热压烧结制备了MBNS增强的双相SiC复合陶瓷（DS@MBNS）。烧结过程中，前驱体转变为多相增强体（β-SiC、0D Ni₂Si颗粒、0D玻璃碳），均匀分布在α-SiC基体内。这些相具有双重功能：i)通过自结合反应形成双相α/β-SiC（DS）；ii)与MBNS建立化学键合，同时促进MBNS在复合材料中的水平排列和集成组装。所得到的DS@MBNS复合材料呈现出多种结构，实现了载荷的有效传递与材料机械性能的显著提升。

图1 DS@MBNS复合材料的制备工艺与微观结构演化：（a）三辊差速剥离h-BN原料的流程示意图，SEM图从左至右分别为无处理的大尺寸h-BN，剥离10次后的BN片以及剥离20次后形成的MBNS；（b）DS@MBNS复合材料的粉体制备与热压烧结简要流程；（c-f）DS@MBNS复合材料在不同温度下的结构演化示意图，以及内部形貌：（c）室温（RT)，（d）1000 ºC，（e）1450 ºC、（f）1950 ºC。

通过离子减薄TEM，揭示了多元增强相的微观位置与组装形式，侧面解释了其对SiC基复合材料结构和性能的重要影响。DS@MBNS体系以MBNS为主、Ni₂Si和GC为辅强化；未组装时，MBNS与Ni₂Si因不参与基体形成和元素易晶界偏析等原因，位于颗粒晶界，GC因前身残碳参与基体形成多在晶内且形貌规则；组装后有多种形式，如GC包裹 MBNS、附着Ni₂Si，可实现协同强化。增强体与SiC基体界面结合紧密，MBNS介于GC与SiC之间，Ni₂Si与SiC界面有序化程度高且存在共格区，利于Si原子扩散和晶体形成。另外还证实了其他组装体存在，体现增强体组装形式与复合材料界面类型的多样性。

图2 MBNS、Ni₂Si、GC增强体在SiC复合陶瓷基体中的空间分布及其微观结构。（a）增强体未组装时在陶瓷晶界与晶内分布的示意图；（b） 案例1，MBNS的TEM图，（c） 案例2，Ni2Si，（d） 案例3，GC；（e） 增强体在SiC基体中组装案例示意图；（f） 案例4，MBNS、GC和Ni2Si组装的TEM图；（g） GC、MBNS和SiC基体进行界面结合的HRTEM图，GC(淡蓝)、MBNS(黄色)、SiC(绿色)、Ni2Si(N_i2Si，淡紫色)；（h） MBNS、Ni₂Si和SiC基体进行界面结合的HRTEM图，白色虚线圈内为相干区域；（i-k）图4-13f中C、Si和Ni元素的Mapping分析。

采用三点弯曲与SEVNB法评价了复合陶瓷的力学性能，结果表明：DS@MBNS复合材料虽保留了陶瓷材料的线性应力-应变特征，但延展性较传统陶瓷与玻璃有所增强；组间对比显示，DS 基体性能优于OS，DS@4MBNS 抗弯强度与应变分别较原始单相组（OS） 提升94.5%和67.9%（达477 MPa和0.329%），断裂韧性较OS提升50.4%（达6.02 MPa·m^1/2），验证了双相SiC基体策略及剥离MBNS的增强有效性；与文献中GNP/MBNS增强的SiC复合材料相比，该体系力学增强显著且成本更低，其多相强化策略规避了单一强化系统的基体性能退化，实现了综合性能的改善。

图3 SiC复合陶瓷的力学性能评价：（a）强度-应变曲线；（b）弯曲强度和弯曲模量；（c）断裂韧性（KIC）；（d）硬度与相对密度；（e）DS@4MBNS复合材料与文献中使用GNP与MBNS对SiC基体进行2D增强的案例对比；（f）DS@4MBNS 与之前的 GNP/MBNS 增强策略的三维性能对比图。

随着复合材料结构的搭建，在Ku波段的反射损耗RL值与EAB范围呈现出先减后增的趋势，其中MBNS的引入起到了关键的调控作用。随MBNS含量增加，RL值呈非单调变化趋势。DS@4MBNS性能最优，1.22 mm厚度处RL_min=-52.59 dB，1.09 mm 厚度处 EAB_max=5.6 GHz（覆盖全 Ku 波段）。

图4 3D面映射图像（a）OS，b) DS，（c）DS@2BN，（d）DS@1MBNS，（e）DS@2MBNS，（f）DS@4MBNS。（g）不同样本对应匹配厚度下的最小RL值曲线对比。（h）不同样本对应匹配厚度下的最大EAB范围对比。（i）与文献中报道的EMA吸波剂在Ku波段的最佳RL_min、EAB和吸波厚度表现的对比图。

综上所述，本工作结合三辊差速剥离技术与多元陶瓷相强化策略，成功制备了多层氮化硼纳米片主导增强的双相SiC陶瓷。复合增强体的引入提高了陶瓷基体的载荷传递能力并提供了多种增韧机制（如裂纹分叉、偏转与桥接），实现了机械性能的综合提升。另一方面增强体还合理优化了复合材料的介电与磁导性能，在多种损耗机制的协同下，于低匹配厚度实现了优异电磁吸波性能，最终实现了结构强度-吸波功能的一体化，这在国防军工、航空航天等领域拥有广泛的应用潜力。

5、作者及研究团队简介

黄军同（通讯作者），南昌航空大学教授、博导、校学术委员会委员、轻量化复合材料江西省重点实验室副主任。英国Exeter大学博士后，中国地质大学（北京）和英国sheffield大学联合培养博士。入选江西省青年“双千计划”、青年“井冈学者”、“赣鄱先锋”，全国工业陶瓷标准化技术委员会结构陶瓷分技术委员、中国菱镁行业协会第十届理事及镁质高温材料专业委员会副秘书长。主要从事无机非金属基复合材料的结构功能一体化设计、制备与性能调控研究。主持含国家自然科学基金面上项目、江西省重点研发计划项目、航空和航天基金及企业横向课题等共20余项，发表学术论文160余篇，ESI高被引论文21篇；授权专利32项，专利技术转让3项；获江西省自然科学奖一、二等奖各1项。2023年获南昌航空大学教学成果奖（研究生层次）一等奖1项。入选斯坦福大学和Elsevier共同发布2025全球前2%顶尖科学家“年度科学影响力”榜单。

个人主页：http://dscx.yjs.nchu.edu.cn/homepage/408.html

研究方向： 无机非金属基复合材料的结构功能一体化设计、制备与性能调控研究

作者邮箱：huangjt@nchu.edu.cn

作者ORCID：https://orcid.org/0000-0003-0200-0058

夏阳（共同第一作者），2025年6月南昌航空大学毕业硕士研究生，2025年9月中国科学院上海硅酸盐研究所博士研究生。主要从事碳化物陶瓷的结构强化与功能一体化的设计、制备与研究，以第一及共同第一作者身份在Journal of advanced ceramics、Ceramics international、Surfaces and Interfaces国际期刊上发表SCI学术论文5篇，申请国家发明专利4项，获研究生国家奖学金1次。参加国际耐高温材料研究生论坛（武汉）获得银奖、第23届全国高技术陶瓷年会青年论坛获得优秀报告人奖。

吴铭轩（共同第一作者），吴铭轩（共同第一作者），南昌航空大学硕士研究生。主要从事陶瓷基复合材料结构与功能的设计、制备与研究，以第一和共同第一作者发表SCI学术论文 3篇，申报专利2项。

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

1）Wang D, Yang H, Wan Q, et al. Intrinsic properties of dispersion-strengthened HfO₂–Al₂O₃–SiO₂ material as an EBC bond coat. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(5): 9221066. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221066

2）Wang X, Xia Y, Huang J, et al. A facile strategy for large-scale production of 2D nanosheets exfoliated by three-roll milling. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(1): 11-18. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220831

3）ZHANG L, HU Z, HUANG J, et al. Experimental and DFT studies of flower-like Ni-doped Mo₂C on carbon fiber paper: A highly efficient and robust HER electrocatalyst modulated by Ni(NO₃)₂ concentration. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(8): 1294-1306. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0610-6

《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；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。

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