用于高效吸收电磁波的生物质碳基SiC纳米线

《Materials Today Energy》：Biomass carbon-derived SiC nanowires for efficient electromagnetic wave absorption

SiC纳米线通过生物质面粉和硅溶胶化学气相沉积法合成，具有高热稳定性（925℃）和优异电磁波吸收性能（RLmin=-45.21dB，EABmax=4.8GHz），RCS模拟显示最大衰减48.11dB·m2。

　　

李冠|徐欣|宋丽梦|宋成|王丽楠|宋博珍|高倩程|张新月|沈航航|王文杰|袁红月|闵志宇|张瑞

中国河南省航空材料与应用技术重点实验室，河南省航空功能材料与先进加工技术国际联合实验室，郑州航空大学材料科学与工程学院，郑州，450015，中华人民共和国

摘要

碳化硅（SiC）纳米线（SiC NWs）作为一种一维纳米材料，具有高长径比、良好的热稳定性以及有前景的电磁波（EMW）吸收能力，使其适用于高温电磁波吸收应用。然而，SiC NWs的高生产成本成为大规模制造的重大障碍。为了解决这个问题，本研究提出了一种新策略，使用低成本的生物质面粉作为碳源，中性硅溶胶作为硅源，通过化学气相沉积（CVD）技术合成出高产率且形态良好的SiC NWs。热重分析显示SiC NWs的氧化温度为925°C，证实了其优异的热稳定性。此外，制备出的SiC NWs还表现出出色的电磁波吸收性能，包括最小反射损耗（RL_min）为-45.21 dB和最大有效吸收带宽（EAB_max）为4.8 GHz。通过雷达截面（RCS）仿真评估了SiC NWs的实际电磁波衰减性能，在入射角θ = 33°时，RCS降低了48.11 dB m²。这些结果表明，成功制备SiC NWs为其作为高性能电磁波吸收材料的应用奠定了坚实基础。

引言

信息时代的加速发展使得电磁污染成为了一个紧迫的环境和技术挑战[1]，[2]。为此，电磁波（EMW）吸收技术受到了广泛关注，推动了高效电磁波吸收材料的研发[3]，[4]，[5]。这些材料通常根据其吸收机制进行分类，主要包括磁损耗、导电损耗和介电损耗[6]，[7]，[8]。磁性损耗材料，如元素Fe、Co、Ni以及各种磁性氧化物，因其强大的电磁吸收能力而受到广泛研究[9]，[10]，[11]，[12]。然而，它们的实际应用常常受到有限的抗氧化性、较差的分散性和高密度的限制。导电材料，特别是碳基化合物，也表现出良好的吸收性能[13]。然而，它们的操作稳定性通常受限于狭窄的温度范围。在高温或极端条件下，吸收效率会显著下降，这大大限制了它们在苛刻环境中的应用。

与此同时，人们越来越关注SiC NWs在电磁波吸收中的作用。介电损耗主要源于交变电场下的传导加热，以及多种极化机制（如偶极极化、电子极化、离子极化和原子极化），这些机制共同促进了电磁能量的耗散[14]，[15]，[16]。典型的介电损耗材料包括碳化物、非磁性氧化物和硫化物，其中SiC、ZnO和Cu常被作为示例系统[17]，[18]，[19]。此外，SiC是一种新型半导体材料；由于其优异的热稳定性、良好的抗氧化性、可调的介电参数以及一系列优点，研究人员在航空航天领域将其用作耐高温的电磁波吸收材料[20]。然而，SiC NWs的制备常常受到高成本和大规模生产困难的阻碍。

在本研究中，我们报告了使用面粉作为可持续的生物质来源的碳源，中性硅溶胶作为硅前驱体，通过化学气相沉积（CVD）技术实现低成本、大规模合成SiC NWs的方法。选择面粉作为碳前驱体，是因为其普遍可用性和相对于传统化学试剂或纳米结构碳的高性价比。这一选择完全符合绿色化学的原则，为SiC NWs的大规模和经济合成提供了一种有前景的策略。此外，面粉颗粒的固有微米级尺寸（通常为80–120 μm），远大于纳米碳粉末（例如炭黑），使得反应速率得到控制。这种减缓的反应动力学有利于控制生长出高长径比且形态均匀的SiC NWs。所得纳米线经过了对其热稳定性和电磁波（EMW）吸收性能的全面评估，并分析了其吸收机制。使用计算机仿真技术（CST）软件对SiC NWs在实际应用中的电磁波吸收性能进行了RCS仿真。通过离轴电子全息术确定了电荷分布。上述测试和分析的结果证实，这种基于生物质的策略能够实现SiC NWs的可扩展和环保生产，为高温条件下高性能电磁波吸收技术的工业应用提供了巨大潜力。

部分内容

前驱体的预制备

为了实现SiC NWs的目标合成，精确确定了碳与硅的化学计量比为1:1摩尔比。所需面粉的质量是根据其碳水化合物含量（商业供应商指定为75 wt%）计算得出的，作为碳源。相应地，计算了中性硅溶胶（30 wt% SiO₂）的用量，以提供所需的硅源。这种精细的配方确保了最佳的C/Si

SiC NWs的制备过程、微观结构和组成

SiC NWs的合成分为四个主要步骤：（1）使用溶胶-凝胶法将一定量的面粉和中性硅溶胶混合，得到稳定且均匀分散的碳和硅悬浮液。（2）将所得混合物在90°C的烤箱中干燥12小时，以去除残留水分。（3）将干燥后的前驱体转移到石墨坩埚中，在300°C下进行碳化处理2小时，期间面粉发生热解转化

结论

使用生物质面粉作为碳源，中性硅溶胶作为硅源，成功合成了高产率的3C-SiC纳米线，且形态明确。热重分析表明SiC NWs具有出色的热稳定性，质量在925°C以下保持稳定。电磁波吸收测试显示其性能优异，最小反射损耗（RL_min）为-45.21 dB，最大有效吸收带宽（EAB_max）为4.8 GHz。为了进一步评估其在实际条件下的性能，进行了RCS仿真

CRediT作者贡献声明

宋成：软件开发。王丽楠：方法论、概念设计。宋博珍：监督。高倩程：形式分析。张瑞：监督、概念设计。宋丽梦：撰写 – 审稿与编辑、概念设计。闵志宇：概念设计。李冠：项目管理、数据整理。徐欣：撰写 – 初稿。张新月：项目管理。沈航航：验证。王文杰：研究。袁红月：方法论

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（U21A2064, 52502079）、中国博士后科学基金（2024M760816）、河南省科技研究项目（252102231066）、天津市建筑绿色功能材料开放基金（2024LSJZCL-04）、河南省低碳技术高效利用工程研究中心（JDDT2024-09）以及河南省航空材料重点实验室等的财政支持