多功能LSF/YSZ复合材料可实现极高的微波吸收性能和优异的隔热效果

《Journal of Materials Research and Technology》：Multifunctional LSF/YSZ composite materials enabled for extreme microwave absorption and high thermal insulation

高温微波吸波材料设计及热电性能协同优化。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的高温微波吸收材料，该材料不仅具备良好的热绝缘性能，还能够实现结构兼容性。这类材料在极端热-电-机械环境下具有重要的应用价值，但其设计和性能优化仍然是一个极具挑战性的课题。本文提出了一种创新的材料设计策略，即通过将具有优异高温稳定性和导电性的钙钛矿氧化物La_1-xSr_xFeO₃（简称LSF）与经典的热障涂层材料氧化钇稳定氧化锆（YSZ）相结合，从而实现微波吸收、热绝缘和热膨胀系数的协同增强。通过系统调控Sr的掺杂浓度和LSF/YSZ的比例，研究团队成功地优化了材料的性能，使其在极薄厚度（1.1 mm）下展现出卓越的反射损耗（-40.9 dB），同时在1000°C时表现出良好的热绝缘性能和适配的热膨胀系数。这些成果为在极端环境中应用的多功能微波吸收材料提供了重要的设计思路和实践基础，同时也为未来研究指明了方向，即关注材料在长期高温条件下的稳定性和性能演变。

微波吸收材料（MAMs）通常根据其最大工作温度进行分类，其中能够在高温下保持稳定性能的材料对于先进军事系统和特殊设备至关重要。这类材料需要在极端环境下确保设备的可靠运行，例如超音速飞行器的热部件，这些部件不仅需要承受高温，还必须应对电磁辐射并维持结构完整性。同样，一些电子设备在高温电磁环境中也需要稳定工作，因此多功能材料在热管理、电磁保护和机械可靠性方面的集成具有不可替代的应用潜力。然而，目前的相关研究仍较为有限，如何有效地实现多种功能的集成仍是主要挑战之一，这需要对材料组成进行优化设计。

在高温微波吸收材料领域，钙钛矿氧化物因其出色的热稳定性、固有导电性以及通过异价离子掺杂（如Sr²⁺替代La³⁺）引发的晶格畸变和缺陷，显示出作为高温吸收材料的巨大潜力。通过调整掺杂浓度和材料组成，可以进一步优化LSF基吸收材料的电磁性能。另一方面，热障涂层（TBC）材料通常具有高熔点、低热导率以及相对较高的热膨胀系数（CTE）。其中，YSZ是最经典的材料系统之一，不仅因其低热导率能够实现有效的高温隔热，还因其与金属基体的良好兼容性和对热冲击失效的高抗性，成为一种理想的选择。与传统的高温透波材料（如Al₂O₃和MgAl₂O₄）相比，YSZ具有更大的CTE和更高的断裂韧性，这使得其在高温应用中表现出色。

基于上述背景，本研究引入了一种新颖的复合结构，将LSF与YSZ相结合。通过调控LSF中的Sr掺杂浓度和LSF/YSZ的组分比例，实现了波吸收性能和热物理性能的高效结合。优化后的复合材料在仅1.1 mm的厚度下展现出显著的反射损耗（-40.9 dB），同时在1000°C时表现出优异的热绝缘性能和热膨胀特性。研究还通过多种手段，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，系统地分析了复合材料的相组成、微观结构和电磁特性，揭示了Sr掺杂浓度和组分比例对LSF/YSZ复合材料微波吸收性能的影响机制。

研究发现，随着Sr掺杂浓度的增加，复合材料中的YSZ相含量逐渐减少，而LSF和SFO（锶铁氧）相的含量增加。例如，在40-La3Sr7样品中，LSF和SFO相的含量分别达到45.9 wt.%和10.1 wt.%。这一现象归因于高温反应中Zr⁴⁺的固溶现象，其中较大的Zr⁴⁺离子半径促进了其在LSF晶格中的溶解，从而形成新的相。此外，SEM和EDS分析表明，复合材料中不同区域的元素分布存在显著差异，这反映了材料中多相共存和界面异质性的特点。这些异质界面有助于增强材料的极化损耗效应，从而提升其电磁波吸收能力。

通过实验和理论分析，研究团队发现，随着Sr掺杂浓度的增加，复合材料的介电损耗角正切值显著提高。例如，当Sr掺杂浓度从10 mol%（40-La9Sr1）增加到70 mol%（40-La3Sr7）时，介电损耗角正切值从0.051上升至0.19，提高了272.5%。这一变化表明，Sr掺杂不仅提高了材料的介电性能，还增强了其对电磁波的吸收能力。此外，研究还发现，随着LSF含量的增加，复合材料的介电性能和吸收能力同步提升，但在某些情况下，过高的LSF含量可能导致阻抗匹配性能的下降，从而影响其整体吸收效果。例如，在80-La5Sr5样品中，尽管其具有最高的微波损耗能力，但由于阻抗匹配不佳，其反射损耗性能并未达到预期水平。相比之下，60-La5Sr5样品在吸收性能和阻抗匹配之间达到了良好的平衡，表现出最佳的微波吸收效果。

为了进一步分析材料的微波吸收机制，研究团队引入了阻抗匹配因子和衰减常数两个关键参数。阻抗匹配因子决定了电磁波是否能够有效地进入吸收材料，而衰减常数则反映了材料对电磁波的耗散能力。实验结果表明，随着Sr掺杂浓度的增加，阻抗匹配性能有所下降，但衰减常数显著提升，从而在整体上提高了材料的反射损耗。例如，40-La3Sr7样品在Sr掺杂浓度较高的情况下，尽管阻抗匹配较差，但由于其强大的损耗能力，仍表现出优异的吸收性能。此外，研究还发现，LSF含量的增加对材料的介电性能和吸收能力具有类似的效果，这为材料设计提供了新的思路。

在热物理性能方面，研究团队对优化后的60-La5Sr5复合材料进行了详细的测试和模拟。该材料在室温至1000°C范围内表现出良好的热导率和热膨胀系数。其中，60-La5Sr5的热导率在1000°C时仅为1.56 W/(m·K)，远低于YSZ（约25 W/(m·K)），这表明其具有出色的热绝缘能力。同时，其热膨胀系数为10.8×10^-6K^-1，与YSZ的热膨胀系数相近，这有助于其与金属基体的兼容性。通过COMSOL有限元分析软件模拟的热场分布结果进一步验证了这一材料的热绝缘性能，显示在1000°C的高温条件下，1.1 mm厚的60-La5Sr5涂层能够使基体的表面温度降低220°C，展现出良好的热保护能力。

此外，研究团队还利用ANSYS HFSS 2023 R1软件对材料的雷达散射截面（RCS）进行了模拟，评估其在电磁隐身方面的潜力。模拟结果显示，60-La5Sr5涂层在11.4 GHz频率下显著降低了雷达信号的反射强度，特别是在多个检测角度下，其RCS值低于-17 dB，表明其具有良好的电磁屏蔽性能。这一结果为材料在雷达隐身领域的应用提供了理论支持和实验依据。

综上所述，本研究通过将LSF与YSZ相结合，成功开发了一种具有优异微波吸收和热绝缘性能的多功能复合材料。该材料不仅能够有效吸收电磁波，还具备良好的热稳定性、导电性和热膨胀适配性，适用于极端热-电-机械环境下的多种应用场景。未来的研究将进一步关注材料在长期高温条件下的稳定性和性能演变，以期实现更广泛的应用。