TiN基复合材料的制备及其高温吸波性能研究
发布时间：2020-12-18 03:44
随着先进军事和航空航天领域科学技术的不断发展,用于高温环境的电磁波吸收材料须同时具备耐高温和高温稳定的微波吸收性能。目前,对高温吸波材料的研究主要集中于碳、碳化硅及金属氧化物等绝缘陶瓷基复合材料。通常,单组分电介质材料由于阻抗不匹配和吸波机制单一等问题,很难在较宽频段范围表现出优异的吸波性能。此外,该类材料的吸收机制仅限于材料的介电损耗和欧姆损耗特性,而且吸波性能受环境温度波动的影响较大,导致其工作温度范围受到限制。因此,研发具有密度低、抗氧化及性能稳定的高温吸波材料具有重要的科学意义和应用前景。氮化钛（Ti N）具有优异的吸波性能,以及低密度、耐高温（Tm=2950℃）、高导电、高强度等优点,有望作为一种新型高温吸波材料应用于更加苛刻的环境。然而,迄今为止,围绕Ti N吸波性能及电磁机制的相关研究刚刚起步,对其高温吸波性能的具体研究尚属空白。在微波频段范围,将磁性组分引入介电材料中被认为是一种扩展吸收频段的有效策略。此外,通过对介电损耗和阻抗匹配的有效调节,以及异质界面极化和阻抗匹配的协同效应,也可以实现电磁波耗散性能的优化。基于上述考虑,本研究借助静电纺丝、热氮化反应等过程,分别制...
【文章来源】：河南大学河南省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
材料吸波原理示意图[6]
TiN基复合材料的制备及其高温吸波性能研究6为大家关注的热点，2010年，Cao[35]等人制备了短碳纤维/二氧化硅复合材料，并探究了复合材料在30~600℃温度范围内的电磁性能。结果表明，介电常数的实部随着温度的升高而增加，根据德拜弛豫理论，这归因于随温度升高所导致的电子极化弛豫时间缩短，而虚部也由于碳纤维的电导率增加而增加，如图1-2所示。图1-2复介电常数随频率和温度的三维图:（a）介电常数的实部及（b）介电常数的虚部[35]碳材料具备较高的损耗能力但由于其较高的电导率可能会造成阻抗失配的情况，从而导致吸波性能下降。借鉴常温吸波材料的相关思路，近些年许多研究者通过与低导电材料复合、结构设计等方式来改善高温吸波碳材料的阻抗匹配问题，如2019年Hou[36]等人研究了三明治状RGO/Si3N4复合材料，发现复合材料的介电性能随温度的升高逐渐增大，在填料含量仅为0.16wt.%的情况下，在323~873K的温度范围内，复合材料的有效吸收带宽可以覆盖整个X波段（8.2~12.4GHz），通过拟合计算，表明RGO/Si3N4极化弛豫损耗在总介电损耗的32%，且不受温度的影响，由于较强的极化弛豫损耗对导电损耗增加的弥补，使其介电特性及电磁波吸收性能在高温下保持较好的稳定性。碳材料虽然是一类很好的高温吸波材料，但仍存在一个致命弱点是高温下易氧化。例如，导电炭黑在400℃以上开始氧化，形成二氧化碳或一氧化碳，导致材料失去吸波性能。此外，虽然许多研究者将碳材料与磁性材料复合，以解决单一的碳材料容易出现与自由空间阻抗失配的问题，但高温含氧的环境使磁性材料易失去磁性，仍难以满足实际使用需求。（2）SiC类高温吸波材料SiC类陶瓷材料由于介电性能可调，且具有优异的高温稳定性，能在1100℃的空气环境下表现出优异的抗氧化能力，被认?
TiN基复合材料的制备及其高温吸波性能研究12下仍会失去磁性，从而失去其吸波性能。此外，虽然ZnO、Ti3AlC2和Ti3SiC2等三元层状化合物作为新型高温吸波材料逐渐受到大家的关注，但对于高性能，多环境适用性高温吸波材料的迫切需求仍然暴露了高温吸波材料可选择种类较少的问题。因此，研发具有密度低、耐高温、抗氧化、吸波性能优异的新型高温吸波材料，优化高温吸波性能和拓展高温吸波材料的种类选择具有重要的科学意义和应用前景。1.5TiN吸波材料的研究现状氮化钛（TiN）作为一种新型的功能材料，具有典型的NaCl晶型FCC结构，因具备高强度、高熔点、化学稳定性高以及良好的导电、导热性等诸多优点，使其具有极大的研究价值和应用前景，尤其是在高温吸波领域有很大的应用潜力[62-65]。2011年，Liu[66]等人以氯化铵和海绵钛为前驱体，首先研究了纳米TiN的吸波性能。本课题组以钛酸纳米管（H2Ti2O5·H2O，简写为NTA）为前驱体，通过热氮化法制备得到直径约为15~20nm的TiN颗粒，并系统探究了常温条件下纳米TiN的组成、结构等对其电磁参数及吸波性能的影响。研究结果表明，TiN在2.0~18.0GHz范围内展现出很好的吸波效果，与AlfaAesar所购买的TiN对比发现，基于钛酸纳米管的TiN明显表现出更为优异的吸波性能（图1-3）。图1-3不同钛源TiN的反射损耗图：钛酸纳米管TiN（a）；商用TiN（b）在此基础上，首次发现通过掺杂调控TiN的组成和结构能够产生明显的缺陷诱导的室温铁磁性，提出缺陷诱导磁损耗的概念。通过在TiN体系中原位引入非磁性碳元素，在动态电磁场下，样品随频率的变化表现出介电损耗和磁损耗的共振趋势[67-70]（图1-4）。为了进一步研究TiN的电磁机制并实现其吸波性能的优化，对不同形貌的TiN及其复合
【参考文献】：
期刊论文
[1]多功能一体化MAX相改性连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究进展[J]. 党潇琳,范晓孟,殷小玮,马昱昭,马晓康. 无机材料学报. 2020(01)
[2]耐高温吸波材料的研究进展[J]. 梁彩云,王志江. 航空材料学报. 2018(03)
[3]高温雷达吸波材料研究现状与展望[J]. 丁冬海,罗发,周万城,史毅敏,周亮. 无机材料学报. 2014(05)
[4]氮化硅材料在空空导弹天线罩上的应用研究[J]. 夏明凯,刘谊,侯瑞,刘建杰. 弹箭与制导学报. 2014(01)
[5]高温吸波材料研究面临的问题[J]. 周万城,王婕,罗发,朱冬梅,黄智斌,卿玉长. 中国材料进展. 2013(08)
[6]吸波材料研究进展及其对军事隐身技术的影响[J]. 张月芳,郝万军. 化工新型材料. 2012(01)
[7]高强度电磁辐射对人体产生的危害及有效防护[J]. 石慧宇,李萍,马莹. 中国新技术新产品. 2010(23)
[8]电磁吸波材料研究进展[J]. 邱琴,张晏清,张雄. 电子元件与材料. 2009(08)
[9]高温微波功能复合材料研究进展[J]. 高晓菊,王红洁. 硅酸盐通报. 2007(05)
[10]碳化硅高温吸收剂的研究现状[J]. 李智敏,杜红亮,罗发,苏晓磊,周万城. 稀有金属材料与工程. 2007(S3)
博士论文
[1]TiC和SiC纳米材料的制备及微波吸收性能研究[D]. 原晓艳.西北工业大学 2015
[2]夹层结构天线罩材料的设计、制备及其宽频透波性能[D]. 闫法强.武汉理工大学 2007
硕士论文
[1]氮化硼复合材料的制备及其电磁性能研究[D]. 刘胜超.河南大学 2019
[2]掺杂氮化钛粉体电磁特性及高温吸波性能[D]. 洪祥云.北京工业大学 2016
[3]BNNTs的合成及其增强氮化硅基透波复合材料的制备及性能研究[D]. 刘海宽.国防科学技术大学 2014
本文编号：2923288
【文章来源】：河南大学河南省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
材料吸波原理示意图[6]
TiN基复合材料的制备及其高温吸波性能研究6为大家关注的热点，2010年，Cao[35]等人制备了短碳纤维/二氧化硅复合材料，并探究了复合材料在30~600℃温度范围内的电磁性能。结果表明，介电常数的实部随着温度的升高而增加，根据德拜弛豫理论，这归因于随温度升高所导致的电子极化弛豫时间缩短，而虚部也由于碳纤维的电导率增加而增加，如图1-2所示。图1-2复介电常数随频率和温度的三维图:（a）介电常数的实部及（b）介电常数的虚部[35]碳材料具备较高的损耗能力但由于其较高的电导率可能会造成阻抗失配的情况，从而导致吸波性能下降。借鉴常温吸波材料的相关思路，近些年许多研究者通过与低导电材料复合、结构设计等方式来改善高温吸波碳材料的阻抗匹配问题，如2019年Hou[36]等人研究了三明治状RGO/Si3N4复合材料，发现复合材料的介电性能随温度的升高逐渐增大，在填料含量仅为0.16wt.%的情况下，在323~873K的温度范围内，复合材料的有效吸收带宽可以覆盖整个X波段（8.2~12.4GHz），通过拟合计算，表明RGO/Si3N4极化弛豫损耗在总介电损耗的32%，且不受温度的影响，由于较强的极化弛豫损耗对导电损耗增加的弥补，使其介电特性及电磁波吸收性能在高温下保持较好的稳定性。碳材料虽然是一类很好的高温吸波材料，但仍存在一个致命弱点是高温下易氧化。例如，导电炭黑在400℃以上开始氧化，形成二氧化碳或一氧化碳，导致材料失去吸波性能。此外，虽然许多研究者将碳材料与磁性材料复合，以解决单一的碳材料容易出现与自由空间阻抗失配的问题，但高温含氧的环境使磁性材料易失去磁性，仍难以满足实际使用需求。（2）SiC类高温吸波材料SiC类陶瓷材料由于介电性能可调，且具有优异的高温稳定性，能在1100℃的空气环境下表现出优异的抗氧化能力，被认?
TiN基复合材料的制备及其高温吸波性能研究12下仍会失去磁性，从而失去其吸波性能。此外，虽然ZnO、Ti3AlC2和Ti3SiC2等三元层状化合物作为新型高温吸波材料逐渐受到大家的关注，但对于高性能，多环境适用性高温吸波材料的迫切需求仍然暴露了高温吸波材料可选择种类较少的问题。因此，研发具有密度低、耐高温、抗氧化、吸波性能优异的新型高温吸波材料，优化高温吸波性能和拓展高温吸波材料的种类选择具有重要的科学意义和应用前景。1.5TiN吸波材料的研究现状氮化钛（TiN）作为一种新型的功能材料，具有典型的NaCl晶型FCC结构，因具备高强度、高熔点、化学稳定性高以及良好的导电、导热性等诸多优点，使其具有极大的研究价值和应用前景，尤其是在高温吸波领域有很大的应用潜力[62-65]。2011年，Liu[66]等人以氯化铵和海绵钛为前驱体，首先研究了纳米TiN的吸波性能。本课题组以钛酸纳米管（H2Ti2O5·H2O，简写为NTA）为前驱体，通过热氮化法制备得到直径约为15~20nm的TiN颗粒，并系统探究了常温条件下纳米TiN的组成、结构等对其电磁参数及吸波性能的影响。研究结果表明，TiN在2.0~18.0GHz范围内展现出很好的吸波效果，与AlfaAesar所购买的TiN对比发现，基于钛酸纳米管的TiN明显表现出更为优异的吸波性能（图1-3）。图1-3不同钛源TiN的反射损耗图：钛酸纳米管TiN（a）；商用TiN（b）在此基础上，首次发现通过掺杂调控TiN的组成和结构能够产生明显的缺陷诱导的室温铁磁性，提出缺陷诱导磁损耗的概念。通过在TiN体系中原位引入非磁性碳元素，在动态电磁场下，样品随频率的变化表现出介电损耗和磁损耗的共振趋势[67-70]（图1-4）。为了进一步研究TiN的电磁机制并实现其吸波性能的优化，对不同形貌的TiN及其复合
【参考文献】：
期刊论文
[1]多功能一体化MAX相改性连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究进展[J]. 党潇琳,范晓孟,殷小玮,马昱昭,马晓康. 无机材料学报. 2020(01)
[2]耐高温吸波材料的研究进展[J]. 梁彩云,王志江. 航空材料学报. 2018(03)
[3]高温雷达吸波材料研究现状与展望[J]. 丁冬海,罗发,周万城,史毅敏,周亮. 无机材料学报. 2014(05)
[4]氮化硅材料在空空导弹天线罩上的应用研究[J]. 夏明凯,刘谊,侯瑞,刘建杰. 弹箭与制导学报. 2014(01)
[5]高温吸波材料研究面临的问题[J]. 周万城,王婕,罗发,朱冬梅,黄智斌,卿玉长. 中国材料进展. 2013(08)
[6]吸波材料研究进展及其对军事隐身技术的影响[J]. 张月芳,郝万军. 化工新型材料. 2012(01)
[7]高强度电磁辐射对人体产生的危害及有效防护[J]. 石慧宇,李萍,马莹. 中国新技术新产品. 2010(23)
[8]电磁吸波材料研究进展[J]. 邱琴,张晏清,张雄. 电子元件与材料. 2009(08)
[9]高温微波功能复合材料研究进展[J]. 高晓菊,王红洁. 硅酸盐通报. 2007(05)
[10]碳化硅高温吸收剂的研究现状[J]. 李智敏,杜红亮,罗发,苏晓磊,周万城. 稀有金属材料与工程. 2007(S3)
博士论文
[1]TiC和SiC纳米材料的制备及微波吸收性能研究[D]. 原晓艳.西北工业大学 2015
[2]夹层结构天线罩材料的设计、制备及其宽频透波性能[D]. 闫法强.武汉理工大学 2007
硕士论文
[1]氮化硼复合材料的制备及其电磁性能研究[D]. 刘胜超.河南大学 2019
[2]掺杂氮化钛粉体电磁特性及高温吸波性能[D]. 洪祥云.北京工业大学 2016
[3]BNNTs的合成及其增强氮化硅基透波复合材料的制备及性能研究[D]. 刘海宽.国防科学技术大学 2014
本文编号：2923288
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