喷雾干燥的氢氧化镁硅酸盐/MoS?复合材料的摩擦学性能与微观结构

《Applied Surface Science Advances》：Tribological properties and microstructure of spray-dried magnesium hydroxy silicate /MoS 2 composites

电磁波吸收材料多功能集成研究。通过电纺冻干工艺制备ZrO?改性SiC纳米纤维气凝胶（ZS-HNFA-x），实现超低密度（6.6 mg/cm3）、耐1200℃高温、强疏水性和优异电磁波吸收性能（最小反射损耗-53.2 dB，有效带宽6.4 GHz）。界面工程策略通过Si-O-Si网络构建多级孔结构，增强界面极化与导电损耗，同时优化阻抗匹配。

　　在现代科技飞速发展的背景下，电磁波吸收材料的重要性日益凸显，尤其是在应对复杂电磁环境带来的挑战方面。这些材料被广泛应用于航空航天、电子通信、军事防御等领域，其功能的多样性决定了其在实际应用中的适应性和性能。本文介绍了一种新型的多功能陶瓷纳米纤维气凝胶材料——ZrO?界面工程修饰的SiC纳米纤维气凝胶（ZS-HNFA-x），通过电纺丝与冷冻干燥相结合的工艺成功制备。该材料不仅具备弹性、热绝缘和疏水性等特性，还展现出卓越的电磁波吸收能力，为在恶劣环境下应用的多功能保护材料设计提供了新的思路。

ZS-HNFA-x的结构设计是实现其多功能性的关键。该材料由SiC纤维通过Si-O-Si网络相互连接，形成具有复杂界面的多孔结构。这种结构不仅有助于疏水性的实现，还能有效抑制热传导，同时增强压缩强度。通过精确控制纤维的表面粗糙度，材料能够形成稳定的Cassie-Baxter状态，从而在多种潮湿环境中（包括高温水、低温水、酸性或碱性腐蚀液体）表现出优异的疏水性能。此外，ZS-HNFA-x具有超低密度（6.6 mg·cm?3），在2.4 mm厚度下，其最小反射损失（RL_min）达到了-53.2 dB，有效吸收带宽（EAB_max）为6.4 GHz，显示出在电磁波吸收方面的显著优势。

在实际应用中，电磁波吸收材料往往需要在多种功能之间取得平衡。例如，传统的碳基和磁性材料虽然在电磁波吸收方面表现良好，但在高温环境下容易氧化，影响其稳定性和使用寿命。而传统陶瓷材料虽然具有优异的热稳定性，但其脆性和狭窄的吸收带宽限制了其应用范围。因此，如何在单一材料中实现多种功能的集成，成为当前研究的重要方向。本文提出的ZrO?界面工程修饰策略，不仅引入了丰富的异质界面，还显著改善了阻抗匹配特性，从而提升了电磁波吸收性能。同时，通过合理设计材料的孔结构，能够实现多级孔隙的形成，增强电磁波的多散射效应，优化阻抗匹配，同时抑制热传导，实现热绝缘。

在制备过程中，ZS-HNFA-x的合成方法采用了电纺丝和双向冷冻干燥相结合的工艺。首先，通过电纺丝技术制备出具有柔韧性的ZrO?/SiC纳米纤维，然后在高温下进行热解，使其形成稳定的SiC结构。随后，利用双向冷冻干燥技术，进一步构建出具有多级孔隙的三维网络结构。这种结构不仅增强了材料的机械性能，还提升了其在高温和潮湿环境下的稳定性。此外，ZrO?的引入不仅改善了SiC的阻抗匹配特性，还通过异质界面的形成，增强了材料的电磁波吸收能力。研究表明，ZrO?/SiC纳米纤维气凝胶的多级孔隙结构能够有效增强电磁波的散射效应，从而提升其吸收性能，同时保持材料的热稳定性。

从材料性能的角度来看，ZS-HNFA-x的多功能性体现在多个层面。在宏观层面，其低密度和多孔结构使其具备良好的热绝缘性能，同时保持机械强度。在微观层面，通过Si-O-Si网络的形成，材料的结构得到了优化，从而在抑制热传导的同时增强电磁波的吸收能力。在表面工程层面，通过调控纤维表面的粗糙度，材料能够形成稳定的疏水结构，使其在多种潮湿环境中表现出优异的疏水性能。这些性能的协同作用，使得ZS-HNFA-x在实际应用中具有显著优势。

此外，ZS-HNFA-x的制备方法也具有一定的创新性。与传统方法相比，采用电纺丝和双向冷冻干燥相结合的工艺，不仅避免了高温反应过程，减少了材料在制备过程中的体积收缩，还使得材料在保持热稳定性的同时具备良好的机械性能和疏水性。这种方法为未来设计和制备多功能陶瓷材料提供了新的思路，同时也为解决传统材料在功能集成方面的局限性提供了可行的方案。

在实际应用中，ZS-HNFA-x展现出的性能使其适用于多种复杂环境。例如，在航空航天领域，该材料能够有效吸收雷达波，同时具备良好的热稳定性和机械强度，能够在高温和高压环境下保持稳定。在电子通信领域，其宽频带的电磁波吸收能力使其适用于多种频率范围的信号屏蔽。在军事防御领域，其疏水性和热绝缘性使其能够抵抗恶劣环境的影响，提升设备的防护性能。这些应用表明，ZS-HNFA-x不仅在实验室条件下表现出色，还具有广阔的实际应用前景。

从研究的意义来看，本文的研究不仅为多功能陶瓷材料的设计提供了新的方法，也为解决传统材料在功能集成方面的挑战提供了新的思路。通过引入ZrO?界面工程策略，材料在保持热稳定性的同时，实现了电磁波吸收性能的显著提升。此外，通过多级孔隙结构的设计，材料在抑制热传导的同时增强了电磁波的散射效应，从而提升了其整体性能。这些研究发现表明，材料的多功能性可以通过合理的结构设计和界面工程策略实现，为未来开发高性能的多功能材料提供了理论支持和实践指导。

在实验数据方面，ZS-HNFA-x的性能表现得到了充分验证。例如，其在2.4 mm厚度下的最小反射损失（RL_min）达到了-53.2 dB，有效吸收带宽（EAB_max）为6.4 GHz，显示出在电磁波吸收方面的显著优势。同时，其在高温环境下的热稳定性达到了约1200℃，表明其能够在极端条件下保持稳定。此外，其在各种潮湿环境下的疏水性能也得到了验证，表现出良好的适应性和耐久性。这些数据不仅证明了材料的性能优势，还为其在实际应用中的可行性提供了依据。

从技术实现的角度来看，ZS-HNFA-x的制备方法具有一定的可操作性和可扩展性。电纺丝技术能够高效制备出具有特定形态的纳米纤维，而双向冷冻干燥技术则能够构建出具有多级孔隙的三维结构。这两种技术的结合，使得材料在保持热稳定性的同时，具备良好的机械性能和疏水性。此外，ZrO?的引入不仅改善了材料的阻抗匹配特性，还通过异质界面的形成，增强了材料的电磁波吸收能力。这些技术的创新应用，为未来开发高性能的多功能材料提供了新的路径。

综上所述，ZS-HNFA-x作为一种新型的多功能陶瓷材料，具有良好的热绝缘性、疏水性和电磁波吸收能力，其结构设计和界面工程策略为实现材料的多功能性提供了理论支持和实践指导。通过合理的工艺优化和材料设计，该材料在多种复杂环境下的应用潜力得到了充分展现，为未来开发高性能的多功能材料提供了重要的参考价值。