碳化硅（SiC）作为当前研发较为集中的第三代半导体材料，在电磁波吸收领域同样具有巨大的发展前景，它具有电阻率可调、抗热震性、密度小、热膨胀系数低、抗冲击性好等优点，在800℃以上的耐高温性能更是显著优于铁磁和碳基吸波材料。近年来，学者还发现碳化硅的吸波性能会随着温度的升高而逐步增强，基于以上优势，碳化硅成为潜在的高性能、耐高温吸波材料。然而，碳化硅主要是依靠介电损耗来吸收电磁波的，其本身复介电常数、损耗角正切不高，而且导电损耗低，几乎不具备磁损耗能力，使得它的电磁波吸收性能低于很多金属基和碳基吸波材料，因此目前常用形貌调控和复合形式来提升碳化硅的吸波性能。本篇，小编将为大家介绍不同形貌的碳化硅基材料在电磁波吸收领域的相关应用。

（图源：深圳市卓立创科技有限公司）

不同形貌的材料具有不同的性能和应用潜力，对碳化硅表面形貌进行调控，可以得到所需的吸波性能，也可以进一步深化吸波材料轻质化目标。目前常见的碳化硅吸波材料的形貌有纤维结构、多孔结构、核壳结构、金属-有机框架（MOFs）结构等。

1、纤维结构：纤维由于具有独特的形貌结构，使得其在电子运输、光学、磁学、电学等方面拥有有别于粉体材料的特异性能，同时，它比传统的块体结构具有更加优良的理化性能，如低密度、耐高温、抗腐蚀、良好的机械强度等。因此，纳米纤维成为一种非常有发展前景的高性能、多功能吸收剂，有望实现“薄、宽、轻、强”的综合要求。碳化硅纳米线（SiCNWs）具有低密度、比面积大、热机械性能优越、电性能可调、耐高温、抗氧化等特点，在电磁波吸收领域也展现出良好的应用前景。目前制备吸波型碳化硅纳米线主要运用碳热还原法、气相沉积法、聚合物前驱体热解法、静电纺丝法。

应用：

（1）Li等以聚碳硅烷（PCS）为前驱体，采用静电纺丝和热解技术制备了柔性碳化硅纳米线膜，该材料在石蜡基质中含量为10wt%时，具有良好的介电损耗性能，最小反射损耗为−41dB，有效吸收带宽（有效吸收带宽）为5GHz，这表明三维网络结构可以有效地强化极化效应，提升介电损耗性能。该材料具有低填充比、高效吸波的特点，还具有制备简单的优点。

（2）Gao等采用前驱体渗透和烧结（PIS）工艺制备了碳化硅纤维/莫来石-二氧化硅复合材料，研究发现碳化硅纤维掺杂后，该复合材料在8.2-12.4GHz的微波吸收性能显著增强。当匹配厚度为2.9mm时，在12GHz处实现最小反射损耗为−44dB，同时，Gao等还探究了制备条件对碳化硅纤维/钼复合材料力学、介质和微波吸收性能的影响。结果表明，随着烧结温度的升高，弯曲强度从81MPa提高到213MPa。碳化硅纤维/钼获得了优异的电磁波吸收性能，在12GHz时最小反射损耗为−38dB，厚度为2.9mm，有效吸收带宽覆盖了8.2-12.4GHz的整个频率范围。

碳化硅纤维吸波材料是一种良好轻质化柔性吸波材料，不仅可以作为吸波基体材料，还可以作为其他吸波材料中的增强相。然而，碳化硅纤维吸波材料的性能与其纤维直径、厚度、形貌等因素息息相关，进一步探索纤维结构与吸波性能之间的关系对指导高性能碳化硅纤维吸波材料的制备具有重要意义。

柔性碳化硅纳米线膜的制备工艺（图源：文献1）

2、中空结构：中空结构形成了较大的空腔，可以使电磁波在空腔内部产生多次反射和散射，密度较低，可以满足材料轻质化的需求。由于结构的特殊性，中空结构材料具有更大的比表面积和孔隙率，可以有效提高电磁波的吸收率。目前常见的中空碳化硅吸波材料有中空球状、中空管状及中空泡沫结构。

应用：

（1）Zhou等以酵母为生物模板，制备了酵母微形态的β结晶空心碳化硅，最大直径约4.3mm，最小直径约3.5mm。研究发现，当厚度为3.1mm时，空心碳化硅在12.08GHz处实现最小反射损耗为−51.74dB，当厚度为4.0mm时，有效吸收带宽为6.05GHz。这是因为中空球形结构进一步减小了吸收剂粒子的重量，有效地改善了阻抗匹配特性，提高电磁波的衰减性能。将中空结构与多孔结构相结合，不仅可以提升吸波性能，还可以强化材料的力学性能。理论上，吸波材料中丰富的孔隙结构会增加电磁波在孔洞中的反射和散射次数，从而提升电磁吸收与损耗效率，该结构还可以提供更多的极化中心，强化极化效应，从而改变电磁波的传输路径，增加通过干涉耗散电磁波的概率。

（2）Ye等使用化学气相沉积和直接氧化法，制备了具有双互联网络的中空碳化硅泡沫材料，该材料在17.51%的应变下，具有优越的压缩14.09MPa的响应，此外，当厚度为4.85mm时，其在6GHz处实现最小反射损耗为−50.75dB。

总得来说，中空结构具备轻质吸波的特性，其特殊的中空结构虽然可以有效增强材料的吸波性能，但是其制备工艺较为复杂，如何实现中空结构的低成本、高效率的可控制备是重难点问题。

中空碳化硅微管的形成机理和电磁波吸收机理（图源：文献2）

3、核壳结构：核壳结构是以球形或其他形状的微粒为核，在表面包裹壳层形成的复合材料，这种结构能增加空间电荷极化，提高材料介电损耗能力。与传统吸波材料相比，核壳结构复合吸波材料可以通过复合不同特性的材料以提高材料的阻抗匹配特性，进而改善材料的吸波性能，同时核壳结构材料还可以通过改变核壳层材料配比、微观形貌、核壳尺寸等提高材料的吸波性能。目前，常见的核壳碳化硅吸波材料有核壳纤维结构与核壳球形粒子结构。

应用：

（1）王伟超等以硅单质和功能化多壁碳纳米管（CNTs）为原料，采用化学气相沉积法（CVD）制备CNTs@SiC同轴核壳结构复合吸波材料。研究发现，当硅单质和功能化多壁碳纳米管质量比为1:1.5，厚度为1.7mm的情况下，其有效带宽达到4.8GHz，同时该材料还具备良好的耐高温与抗氧化性能。碳化硅不仅可以作为壳层材料，提升材料的高热稳定性，还可以作为核层材料以强化损耗机制。

（2）Xiang等使用自组装技术和碳热还原法，制备了多孔的SiC/SiO₂核壳状微球，研究发现当热处理温度为1400℃时，多孔非均匀SiC/SiO₂微球表现出最优良的电磁波吸收性能；在8.99GHz时，最小反射损耗为−54.68dB，最大有效带宽达到8.49GHz。

传统的核壳球形粒子结构吸波材料的极化效应仍有进一步提升的空间，可以通过多方式进一步提升核壳球形碳化硅吸波材料的吸波性能。一方面可以通过造孔方式，进一步提升其比表面积。另一方面可以在中空球形结构做进一步的核壳包覆，实现不同损耗的复合。总之，核壳结构多为多组分材料，其比单一材料具备更加优良的吸波性能，但是多层核壳结构的实现也增加了制备的成本和难度。此外，如何基于吸波机理开发新构型的核壳结构值得进一步探索。

SiC/SiO2核壳纳米线结构图和吸波性能图（图源：文献3）

4、金属-有机框架（MOFs）：MOFs是一类由金属节点为次级构造单元（SBUs）与有机配体通过配位自组装方式，形成的具有周期性网络结构的有机-无机杂化多孔晶体材料，具有结构多样性、超高的比表面积及良好的结构可调性，在吸波领域展现出广阔的应用前景。通过控制MOF前驱体的组成、合成条件和后处理过程可以有效调节其微观结构和化学组成，进而精确控制材料的电磁性能。MOFs结构为规则的多面体粒子，MOFs及其衍生物普遍具有较低的长径比，从而导致基体中的连通性不足，这不利于进一步增强吸波性能，而基于碳化硅纳米线的MOFs结构，可有效地解决这一问题。

应用：

（1）Zhang等在一维碳化硅纳米线（SiCNWs）表面生长了一种共基的MOF结构材料，并合成了一种烤肉状的MOFs/SiCNWs杂化纳米结构，其与纯SiCNWs和纯煅烧的MOFs相比，在空气和氩气下煅烧的MOFs/SiCNWs均表现出显著增强的电磁波吸收能力，该材料在匹配厚度为2mm时，有效吸收带宽可达5.92GHz。这源于其扩大了长宽比，改善了材料内部的连通性，降低了复杂的介电常数，导致更多的电磁波进入材料，从而增强了其界面极化性能。

（2）Yang等采用碳化硅纳米颗粒和镍（Ni）基金属有机框架（Ni-MOF）在氩气中退火，制备了由碳化硅、Ni、一氧化镍和碳纳米颗粒（NPs）组成的多组分复合材料。与单个碳化硅NPs和Ni-MOF组分相比，SiC/Ni/NiO/C纳米复合材料具有更加高效的电磁波吸收性能（EWA），当材料匹配厚度为4.0mm时，在13GHz处实现最小反射损耗为−50.52dB。

大部分MOFs衍生吸波材料的结构主要取决了MOFs自身的结构，如何进一步加强对内部结构的设计并进一步探索其结构与性能之间的关系有待进一步深入研究。同时，如何实现MOFs结构在低频和宽频吸波性能的提升也面临着一定的挑战。

基于SiC_NMS的MOFs结构的制备示意图与微观形貌图（图源：文献1）

5、多孔气凝胶结构：气凝胶材料是一种具有纳米多孔结构的新型功能材料，其独特的结构赋予了其低密度、高孔隙率、高比表面积、低热导率、低声传播速度等特性。这些特性使气凝胶在吸波领域具有一定的优势，低密度可以让获得的气凝胶吸波材料更轻，满足轻质化需求；高孔隙率可以更容易实现电磁波和材料的阻抗匹配，减少电磁波反射，使电磁波尽可能的进入到材料内部；三维多孔结构会使电磁波内部发生更多的反射、折射、干涉抵消，实现对电磁波的多重吸收，有利于增强材料的电磁波吸收性能。碳化硅气凝胶作为一种典型的陶瓷类气凝胶，具有高强度、耐腐蚀、热膨胀系数小和红外遮蔽效应等优点，成为潜在的、可以对抗复杂环境的电磁吸波材料。

应用：

（1）哈尔滨工业大学王志江团队使用碳热还原法制备了氧化石墨烯衍生的碳化硅气凝胶，结果表明，氧化石墨烯气凝胶可以很好地转化为超低密度的碳化硅气凝胶，该材料具有低密度和宽吸波带宽的优点，有效吸收带宽可达5.5GHz；此外，为了降低碳化硅制备成本，该团队还以生物质茄子为前驱体，通过冷冻干燥、高温碳化和碳热还原步骤制备了生物质衍生碳化硅基气凝胶，该样品最小反射损耗可达−43dB，在2.0mm厚度时，其有效吸波带宽为4.0GHz。碳化硅气凝胶的电磁波损耗机制应来自于其特殊的多孔结构、良好的阻抗匹配、界面极化、缺陷诱导的偶极子极化以及局部形成的微电流。将柔性纳米纤维作为基体，构筑三维纤维气凝胶可在一定程度上克服传统气凝机械性能较差的缺点，同时可以进一步减轻材料质量，符合目前吸波材料的发展趋势。

（2）Du等人以细菌纤维素为支架，制备了碳纳米纤维(CNF)和SiC-CNF气凝胶薄膜，所制备的气凝胶薄膜具有良好的微波吸收和低导热性能。结果表明，SiC-CNF气凝胶薄膜具有较强的电磁波吸收能力，其反射损耗最小为-53.3dB，导热系数低至0.046W/m。

作为一种新型气凝胶，碳化硅气凝胶的制备工艺相对于传统的氧化物和碳气凝胶更加复杂，特别是目前较多报道的超轻碳化硅纤维基气凝胶，对于制备条件和制备成本要求较高。与此同时，目前碳化硅气凝胶的各种制备工艺仍然存在一些不足，例如如何解决气凝胶收缩大、易开裂等问题，如何在提升材料的力学性能的同时兼顾经济性要求。

SiC-CNF气凝胶薄膜材料形成过程示意图（图源：文献5）

小结

目前，吸波材料作为AI时代保障电子器件顺利运行的关键组分，仅靠单一的碳化硅基吸波材料是难以实现现实要求的，需要通过多重结构调控与多组分协同作用制备出复合型碳化硅基吸波材料，才能较好的满足现实需求。

参考文献：

1、夏元佳,陈国兵,赵爽,等.碳化硅基材料在电磁波吸收领域的研究进展[J].化学进展.

2、张明慧.静电纺碳化硅微纳材料制备及其电磁波吸收性能研究[D].北京化工大学.

3、刘继鹏.SiC基核壳复合材料的制备及吸波性能研究[D].哈尔滨工业大学.

4、员超.轻质碳基材料的制备与微波吸收性能研究[D].陕西师范大学.

5、张艳伟.改性碳化硅气凝胶的制备及微波吸收性能研究[D].中南大学.

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