原位聚合得到的SiOCnws-Cf/SiC(rGO)复合材料：一种潜在的电磁干扰屏蔽和热管理材料

《Science China-Materials》：In-situ polymer-derived SiOCnws-Cf/SiC(rGO) composites: a potential candidate for EMI shielding and thermal management

研究提出一种高温球磨还原法制备C/SiC多孔陶瓷复合材料的新策略，其具有轻质、高机械性能（断裂韧性6.32 MPa√m，硬度7.18 GPa）、优异电磁屏蔽效果（58.31 dB）和耐1300℃高温（3600秒）特性，为航天器热防护系统提供新方案。

　　

摘要

随着航空航天技术的快速发展，设计出具有轻量化、高强度、集成热防护/隔热性能以及电磁干扰（EMI）屏蔽功能的多功能复合材料已成为当务之急。C/SiC多孔陶瓷复合材料在满足高超音速飞行器对热防护材料的高要求方面具有显著优势。本文提出了一种简便的制备方法：通过高能球磨诱导的多碳硅烷-乙烯基三乙氧基硅烷-氧化石墨烯（PVG）与C_f/SiC（碳纤维与反应结合的SiC基体）混合物的再热解过程，制备出聚合物衍生陶瓷（PDCs）。由SiC(rGO)p形成的蜂窝状纳米结构以及由碳纤维（C_f）构成的非定向通道共同降低了材料的密度并提高了其孔隙率。界面处大量的悬挂Si原子通过钎焊效应增强了SiO_2键合，进一步通过碳热还原作用实现了碳纤维与基体之间的紧密连接。值得注意的是，原位形成的SiOCnws纳米结构形成了层次分明的网络，产生了协同增强的韧性效果，从而提升了基体的结合强度并提高了裂纹起始阈值。这种多尺度界面/偶极极化作用显著提升了电磁屏蔽效果。特别是C_f(0.2)/SiC(rGO)复合PDCs表现出低密度（1.49 g cm^-3）、优异的机械性能（断裂韧性：6.32 MPa m^1/2、硬度：7.18 GPa、抗压强度：72.67 MPa）、卓越的电磁屏蔽效果（58.31 dB），以及在丁烷喷灯烧蚀（约1300°C）条件下3600秒内的良好结构稳定性。使用直接成孔剂制备的相应多孔产品具有优异的热导率（0.211 W m^-1 K^-1）和高达69.74%的孔隙率。研究表明，这种多功能SiOCnws-C_f/SiC(rGO)复合材料在复杂环境中的航空航天飞行器热防护系统（TPS）应用中具有广阔前景。