综述：基于碳化硅（SiC）的高温吸波材料：现状与未来

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：SiC-based high-temperature absorbing materials: current status and future

　　

摘要

高超音速飞行器和高频通信技术的不断发展对高温微波吸收材料（MAMs）提出了严格的要求，这些材料需要在极端的热机械和氧化环境下工作。尽管碳化硅（SiC）具有高熔点和被动抗氧化性，但其吸收能力较弱，并且在高温度下存在严重的阻抗失配问题。本文系统地回顾了基于SiC的高温MAMs的最新进展，重点研究了由热载流子激发和多温度区氧化相变驱动的多重损失机制的动态转变和定量解耦。文章分析了多种物理尺度下的关键改性策略，包括元素掺杂、缺陷工程、核壳结构以及增材制造拓扑设计，以优化阻抗匹配并改善导电网络。此外，我们还总结了限制低频（S-C带，2-8 GHz）性能调节和制造一致性的工程瓶颈。最后，提出了关于多组分高熵合金化和结构-功能集成的未来发展方向，为下一代先进的隐身技术提供了理论指导。

引言

现代高频通信和精密雷达系统的普及使得电磁辐射成为了一个严重的 operational concern [1]。这种辐射直接威胁到了敏感机载电子设备的电磁兼容性 [2] 和信息安全 [3]，对先进的航空航天和国防领域构成了严峻挑战 [4]。当下一代高超音速飞行器的飞行速度超过5马赫 [5] 时，强烈的空气动力加热会导致表面停滞温度超过1000°C [6]。在这样的极端条件下，尽管SiC可以在600°C到1200°C的温度范围内保持可靠的被动抗氧化性能，但接近其极限失效温度（>1200-1600°C）的热暴露最终可能导致网络性能下降。相比之下，传统的碳基或聚合物基电磁波吸收剂会立即发生氧化分解和严重的热降解 [7]，从而完全丧失隐身能力 [8]。因此，开发能够在强烈空气动力加热下保持结构和电磁稳定性的先进高温吸收材料成为下一代航空航天设备的关键需求 [9]。图1. 图2. 图3. 图4. 表1. 表2.

在各种高温候选材料中，碳化硅（SiC）作为一种第三代宽带隙半导体，因其优异的物理化学性质而成为高温电磁波吸收的首选材料 [10]。SiC晶格中的强共价键使其具有2830°C的理论熔点 [11]。在有氧环境中，表面被动氧化会自发生成一层致密的非晶二氧化硅层 [12]，有效抑制氧原子的扩散 [13]。除了抗氧化性外，SiC还具有可调的宏观导电性和出色的机械兼容性 [14]。与传统的磁性吸收剂不同，后者在300°C以上会发生不可逆的氧化相变 [15]，而SiC在800°C及以上的温度范围内能够提供连续稳定的介电损耗 [16]，这依赖于热激发的载流子和界面极化。

尽管具有这些优点，将SiC系统应用于实际工程仍需克服几个基本的物理和加工瓶颈。纯SiC的微波吸收能力较弱，有效吸收带宽通常低于2 GHz，这是由于其极慢的极化松弛和较低的内禀损耗所致。在高温下，这种限制更加明显。载流子浓度的指数级增加会引发严重的非线性阻抗失配，导致强烈的前表面反射。虽然加入磁性成分可以弥补低频衰减的不足，但这常常会损害高温下的氧化稳定性，并导致与SiC基体的热膨胀失配。此外，这些多组分结构的可扩展制造仍然受到高加工成本和长生产周期的制约。

为应对这些挑战，本文从固态物理学和电磁场传输理论的角度系统总结了基于SiC的高温微波吸收材料的最新进展。本文不仅关注形态分类，还强调了由热载流子激发和多温度区氧化相变驱动的多重损失机制的动态转变和定量解耦。同时，我们研究了从原子级掺杂、介观界面工程到宏观增材制造的各种跨尺度改性策略，明确了微观结构演变与微波响应之间的结构-性能关系。最后，提出了包括高熵多组分合金化、相位适应性阻抗调节和结构-功能集成在内的新兴发展方向，为下一代隐身材料的设计提供了指导 [17]、[18]、[19]、[20]。

部分摘录

吸收性能的调节与优化

为了实现高效的电磁（EM）波吸收，材料设计必须建立宏观电磁场边界条件与微观晶格耗散机制之间的精确数学和物理关系 [21]。基于SiC的高温MAMs的优化本质上需要在宽频率范围和高温范围内平衡阻抗匹配和能量衰减 [22]。

高温微波吸收与机制演变

SiC的理论熔点高达2830°C，并且可以在1600°C的高温氧化环境中通过被动氧化形成致密的SiO₂钝化层。这一热力学特性使其适用于航空航天等极端服务环境。然而，在涉及“热-机械-电磁-氧化”因素的多场耦合作用下，高温热场会对材料产生显著的影响

掺杂与缺陷工程

由于SiC在室温下的宽带隙和低内在导电性（${10}^{-8}S/m$），费米能级位置通常通过掺杂工程来调整以增强导电网络 [71]、[93]。已经对几种代表性的元素替代策略进行了广泛研究以阐明这一机制 [73]、[74]、[95]。

对于Al掺杂的Ti₃SiC₂固溶体系，Li等人的研究 [96] 展示了金属替代掺杂的作用。

关键工程限制

尽管最近文献中提出了许多跨尺度的结构改进，但将实验室级别的碳化硅（SiC）复合材料转化为高可靠性航空航天组件仍受到技术瓶颈的制约。主要的结构失效原因是高损失异质相与原始$\beta$-SiC基体之间的严重热膨胀系数（CTE）不匹配。在超过1000°C的剧烈循环热冲击下，局部残余应力会导致严重的结构损坏

结论

基于SiC的复合材料已成为极端航空航天环境中高温电磁波吸收的首选材料。本文系统地追溯了SiC吸收剂的演变历程，从原子级别的缺陷和掺杂调控到介观异质结设计、连续纤维强化以及宏观拓扑制造。从热学和化学角度来看，SiC系统的服役可靠性取决于多温度区的动态响应

CRediT作者贡献声明

肖世杰： 文章撰写——初稿。王垚： 文章审阅与编辑、软件处理。王一山： 资金获取、数据分析。高博石： 研究实施、概念构思。张学谦： 资源协调、方法设计。黄晓晓： 项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了山东省自然科学基金（ZR2025MS881, ZR2019BF047, ZR2020KE059）、国家自然科学基金（52432002, 52402369）、中国博士后科学基金（2019M662405, 2019M650612）、淄博市校城融合项目（2019ZBXC299）以及中央高校基本科研业务费（3122024QD11）的支持

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