人工智能时代的应用场景非常的复杂，对吸波材料的需求也将更加的个性化。碳化硅作为一种具有较低密度、高热导率、抗氧化性、抗腐蚀性的吸波材料，因其电导率和介电损耗较低，使得阻抗匹配性能难以满足现实需求，而阻抗匹配是研究电磁波与材料相互作用以及在不同频段下透波效果的参数，它与吸波材料的电子激发跃迁产生的能量共振有关，会直接影响到吸波材料的吸收效果和使用效率，因此阻抗匹配性能的好坏对于吸波材料是至关重要的。如何有效改善碳化硅阻抗匹配不佳的问题，成为碳化硅吸波材料在未来AI领域发展的关键。接下来，小编将为大家介绍目前用于改善碳化硅阻抗匹配不佳的两种方法（掺杂改性和形成含碳化硅复合材料）及其相关应用。

图源：知乎

碳化硅掺杂改性

碳化硅的掺杂改性可以有效调节其载流子浓度，使其适用于微波频段的吸收。按掺杂类型可分为N型掺杂和P型掺杂两类。

（1）N型掺杂主要是在碳化硅中引入氮、磷、砷等能够提供额外电子的杂质原子，这些杂质原子会在碳化硅的禁带中形成额外的能级，从而增加材料中的自由电子浓度。这些自由电子会与电磁波相互作用，导致介电损耗增加，从而提高材料对电磁波的吸收能力。在碳化硅纳米颗粒中掺杂氮（N），可通过调节掺杂N的碳化硅纳米颗粒的含量，改变材料的复介电常数，经N改性后的碳化硅，结构会更加多样化，可提高吸收电磁波的能力。

（2）P型掺杂主要是在碳化硅中引入能够产生空穴的铝、硼、镓等杂质原子，这些杂质原子的加入会在碳化硅的禁带中形成额外的能级，使得价带中的电子跃迁到这些能级上，留下等量的空穴。在碳化硅材料中引入硼（B），B的引入促进了β-SiC的结晶，形成了受主掺杂的碳化硅固溶体，增加了稳定性。随着硼的加入，材料的复介电常数实部虚部表现为先下降后升高的规律。

不同B含量制备粉体的FESEM照片（图源：文献1）

形成含碳化硅复合材料

一、碳化硅纤维增强碳化硅吸波材料

碳化硅纤维（SiCf）具有良好的电阻率可调性、高饱和载流子漂移速度和导热性，可以有效提升碳化硅材料的强度与介电性能。当电磁波入射到材料上时，碳化硅纤维与基体之间的界面可以引起电磁波在材料内部多次反射和吸收，增加了电磁波在材料内部的传播路径，增强了吸波效果。碳化硅纤维在复合材料中进而会形成导电网络，有助于电磁波在材料内部的传播和能量损耗。

应用：

（1）Han等采用前驱体渗透热解法制备了五向编织碳化硅纤维预成型体增强的SiCf/SiC复合材料，研究发现该材料具有良好的微波吸收能力，其在8.2GHz处可实现的最小反射损耗为−16.1dB，有效吸收带宽为1.5GHz。后来，Mu等对前驱体渗透热解法进行了一定的改进，对聚碳硅烷（PCS）前驱体进行适当的热交联，并对碳化硅纤维进行脱碳处理，制备出具有较强吸波性能的SiCf/SiC复合材料。结果表明，在8.2-18GHz频率范围内，未处理的复合材料的反射损耗值小于−5dB，而厚度为3.1mm的复合材料经过处理后，最小反射损耗可达−23.5dB，有效吸收带宽可达5.9GHz。

（2）在碳化硅纤维上使用涂层技术对于提升碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（SiCf/SiC）的电磁波吸收性能有着重要的作用。Huang等通过电泳沉积法（EPD）将碳化硅纳米线（SiCNWs）沉积在热解碳（PyC）涂层碳化硅上，然后进行碳化硅化学气相渗透（CVI），得到了SiCNWs/PyC-SiCf/SiC复合材料。结果表明，该复合材料的最小反射损耗为−58.5dB，当匹配厚度为2.2mm时，有效吸收带宽可达6.13GHz，这主要是由于该材料改善了介电损耗能力和阻抗匹配并强化了多重反射。

碳化硅纤维类型、编织方式、界面层、基体电性能协同设计原理与方法对SiCf/SiC结构的吸波材料性能优化非常重要，但是目前缺乏系统研究。同时，吸波性能与力学性能的协同优化匹配原则还有待进一步探究。

包含SiC界面相的SiC_f/SiC/Mu复合材料的损耗正切值（图源：文献2）

二、碳化硅/磁性物质复合吸波材料

碳化硅是一种电介质型吸波材料，主要依靠介电弛豫损耗来消耗电磁波能量，为了进一步改善其单一损耗机制，将碳化硅与磁性物质进行复合，使复合材料可以通过磁损耗与介电损耗双重损耗机制协同作用来提升微波吸收性能。磁损耗机制主要是通过磁滞损耗、铁磁共振和涡流损耗等方式来大量吸收电磁波的能量，以实现微波吸收的目标。目前，碳化硅主要与Fe、Co、Ni等磁性物质进行复合。

应用：

（1）Hou等以含铁聚硅乙炔（PSA）为原料，通过一种简单的聚合物衍生陶瓷（PDC）合成了新型高温抗氧化SiC/Fe₃Si/CNTs复合材料。其微观结构是由球形Fe₃Si纳米粒子和碳纳米管的碳化硅陶瓷颗粒组成的，此结构增大了材料的比表面积，增强了界面极化。同时，提高材料的介电性能和磁性能，优化阻抗匹配。通过调整复合材料的匹配厚度可以获得可调谐的吸波性能，样品有效吸收带宽达13.5GHz；匹配厚度为2mm时，10.5GHz处最小反射损耗达到−41.2dB；匹配厚度为1.5mm时，有效吸收带宽接近4GHz。

（2）Wang等制备了共价键SiC/Co混合纳米线（NWs），分析表明，碳化硅纳米线与磁性Co纳米晶体之间形成了Si—O—Co键。电荷转移发生在共价键合的SiC/Co混合NWs中。当杂化物中Co含量为25.1wt%时，SiC/Co诱导的协同耦合作用实现了有效带宽为6.6GHz的宽频吸收。

对于磁性物质与碳化硅材料的复合，如何进一步提升其阻抗匹配性能，实现磁损耗与介电损耗协同作用的最大化是重要的研究课题，同时，磁性物质在高温环境下会导致磁饱和性下降，如何满足磁性物质/碳化硅在高温等特殊环境下的良好吸波性能是值得研究的重要难题之一。

SiC/Fe₃O₄/rGO复合材料元素面扫描分析图（图源：文献3）

三、碳化硅/碳基复合吸波材料

碳基材料具有低密度和良好的导电性及较强的介电损耗性能，碳化硅与碳基材料的复合可有效地增强复合材料的介电损耗性能，实现强化吸收性能与拓宽吸波带宽的目标。复合材料的内部微观结构可以改善传导损耗，提供更多的载流子路径，以优化阻抗匹配。在电磁波入射时，材料的电导损耗和介电损耗可以有效使电磁波能量在材料内部转化为热能，进而被吸收。这种复合材料可以有效吸收和衰减电磁波，减少其反射和进一步的传播。常见的与碳化硅结合的碳基材料有炭黑、碳纳米管（CNTs）和石墨烯。

应用：

（1）Du等以葡萄糖为碳（C）源，制备了C掺杂碳化硅陶瓷纳米复合材料，非晶碳和石墨会均匀地覆盖在碳化硅基体上。通过改变葡萄糖的含量，可以调整纳米复合材料的介电特性。当葡萄糖含量为0.50mmol/mL，匹配厚度为1.66mm时，该复合材料在16.0GHz处存在最小反射损耗−76.6dB。

（2）CNTs具有高导热性和优良的机械性能，不仅可以增强复合材料的力学性能，还可以提升电磁吸收性能。Zhang等采用静电纺丝和聚合物衍生陶瓷（PDC）方法制备了碳纳米管负载柔性碳化硅纤维垫。研究发现，碳纳米管的引入会大大提升电磁吸收性能，在碳化硅纤维和碳纳米管的协同效应下，导电损耗和极化弛豫损耗有效消耗了电磁能量，当碳纳米管含量为3wt%，纤维垫在厚度为3.5mm时，最小反射损耗为−61dB，有效吸收带宽为2.9GHz。

（3）哈工大杜耘辰等以酚醛树脂小球和二氧化硅分别作为内核和外壳层构筑了具有核壳结构的复合微球，利用高温热解过程中的界面反应，自发形成了中空结构，这不仅有利于满足轻量化需求，而且对入射电磁波衰减能力也有明显的促进作用。通过控制二氧化硅壳层厚度，可实现中空SiC/C复合微球的组成调控，进而达到调控复合材料电磁特性的目的。研究结果表明，在组成和结构的协同作用下，SiC/C复合材料可表现出优异的吸波性能，其中最强反射损耗和最宽有效吸收分别为-60.8dB和5.1GHz。

碳化硅与碳复合材料主要是通过将碳纳米结构结合到纳米尺寸的碳化硅中来制造的，常常会产生有限且不稳定的界面。加上CNTs及石墨烯等碳基材料价格昂贵且制备方式复杂，这在一定程度上阻碍了碳化硅/碳基复合材料在电磁波吸收中的更广泛的应用。

SiC_NW/GA-S样品的实物图及其性能图（图源：文献4）

四、SiC基多元复合吸波材料

碳化硅材料的表面与界面密切影响其界面极化效应，增大材料的比表面积将使界面上聚集更多的电荷以形成偶极子，从而促进偶极子极化。碳化硅基多元复合材料在不同组分之间具有多个界面，可产生类似电容器的结构，给多个界面极化带来较强的弛豫损失，多元磁性复合材料可以进一步强化磁损耗性能，从而强化本征碳化硅及二元碳化硅复合材料的吸波性能。

应用：

（1）Zhang等采用原位碳热还原策略，以可膨胀石墨、Si-SiO₂混合粉末和二茂铁为原料，制备了由SiC@SiO₂纳米线和Fe₃Si磁性纳米颗粒组成的纳米复合材料。研究发现，该纳米复合材料在2.4mm的匹配厚度下，有效吸收带宽为5.4GHz；在匹配的厚度为4.9mm，有效吸收带宽为15.5GHz时，最小反射损耗值低至−37.53dB。这是由于复合材料介电损耗、磁损耗、界面损失和散射理论的协同作用而产生良好的吸波性能。

（2）在多元复合材料中，引入有机高分子材料和新兴的MXene材料也是一种有效的提升吸波性能的方式。Ma等通过静电自组装，在聚偏氟乙烯（PVDF）基体中，开发了SiCNW/MXene的多相纳米结构，研究发现当SiCNW：MXene比值和SiCNW/MXene浓度分别为7：1和20wt%时，其在Ku波段达到5.0GHz的有效带宽，在匹配的厚度为1.45-1.5mm时，最小反射损耗可达−75.8dB，这是基于二维MXene纳米片和一维SiCNw在结构上的协同作用，在聚合物基体中形成了许多非均匀界面所致。

碳化硅基多元复合材料通过介电性能和磁损耗性能的双重强化可以有效达到对电磁波高效吸收的效果，但是如何进一步分析复合损耗机制，提升界面稳定性，探究最佳配比体系等问题需要进一步的研究。

不同材料复合类型SiC基吸波材料的吸波性能表（图源：文献4）

小结

在人工智能时代，复合型碳化硅吸波材料可以针对不同的应用环境，作出相应的变化以满足AI应用的需求。如在AI数据中心的服务器和通信设备中运用碳化硅吸波材料，可以有效提高数据处理的效率和稳定性，降低能耗；在自动驾驶领域中，将碳化硅吸波材料应用于车辆的雷达和通信系统，可以有效减少电磁波的反射和干扰，提高感知精度和通信质量，有助于AI驾驶系统的决策和执行。总而言之，复合型碳化硅吸波材料在AI领域具有非常广泛的应用前景，但目前仍需要不断的研究与开发，以提升产品的核心竞争力，使之在未来AI市场中可持续发展。

参考文献：

1、杨子.共掺杂SiC微波吸收剂的制备和性能研究[D].西安电子科技大学.

2、俞婷友,金丹,尹洪峰,等.SiC纤维及其复合材料吸波性能研究进展[J].硅酸盐学报.

3、王玉江,黄威,黄玉炜,等.SiC/Fe_3O_4/rGO复合材料的制备及吸波性能[J].材料导报.

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5、邢原铭,杨涛,王恩会,等.SiC复合吸波材料的研究进展[J].复合材料学报.

6、Lixue Gai, Yahui Wang,etal.Compositional and Hollow Engineering of Silicon Carbide/Carbon Microspheres as High‑Performance Microwave Absorbing Materials with Good Environmental Tolerance[J].Nano-Micro Letters.

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