科学网—哈尔滨工业大学贾德昌、段小明和黄小萧团队：相分离构筑多尺度界面中空SiC复合纳米纤维及其宽温域电磁波吸收性能研究-清华大学出版社学术期刊的博文
精选
已有 324 次阅读
2026-10-26 10:28
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Liu S, Duan X, Wang L, et al. Phase-separation-enabled hollow silicon carbide composite nanofibers with multiscale interfaces for electromagnetic wave absorption over a wide temperature range. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221396
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221396
ResearchGate ： Phase-separation-enabled hollow silicon carbide composite nanofibers with multiscale interfaces for electromagnetic wave absorption over a wide temperature range.
基金支持：
本研究得到国家自然科学基金（编号： 52432002 ）与黑龙江省头雁团队计划资助。
一、 导读
高速飞行器在高温、剧烈温变等极端服役工况下，对雷达吸波材料提出严苛要求：既要实现强电磁波衰减，还需要在宽温度区间维持性能稳定。传统中空碳化硅纤维大多离不开同轴静电纺丝工艺，这套方案不仅设备门槛高、生产效率低下，规模化量产更是难以落地，极大限制了这类耐高温吸波材料走向工程实际应用。
针对这一瓶颈，研究团队采用单喷嘴静电纺丝策略，借助前驱体液 ‑ 液相分离效应，构筑出富含多尺度异质界面的中空 SiC 复合纳米纤维。其中 P1S1 中空纤维在 1.39 mm 厚度条件下，有效吸收带宽可达 4.96 GHz ；将其与磷酸铝复配得到块体复合材料后，可在 298‑873 K 超宽温度区间维持稳定吸波性能，即便处于 773 K 高温环境， X 波段有效吸收带宽依旧能够达到 4.08 GHz 。该研究为面向极端高温工况的雷达隐身吸波材料，在结构设计与工程化制备层面提供了极具价值的新思路。
二、 研究背景
随着电子信息系统与雷达探测技术快速迭代，电磁波吸收材料是高速飞行器隐身技术的关键支撑。飞行器服役时会遭遇剧烈温度波动，要求吸波材料不仅在雷达波段具备强衰减能力，还需要在宽温域内维持稳定吸波性能。碳基、铁氧体、导电高分子等传统吸波材料均难以适应高温工况：碳基材料易氧化烧蚀，铁磁材料高于居里温度后磁损耗消失，导电高分子受热分解而性能失效。陶瓷基材料凭借出色的高温稳定性，成为高温吸波领域的研究重点。
碳化硅（ SiC ）理化性能优异，但纯相 SiC 本征介电损耗不足。构筑中空结构与多尺度异质界面是提升其吸波性能的有效途径。目前中空 SiC 纤维仍面临中空形貌、缺陷与界面难以精准调控的问题；同时中空结构形成的相演变机理尚不清晰，多数研究局限于室温测试，缺乏宽温域吸波行为的系统探究。因此，揭示中空 SiC 纤维结构演化规律、实现多尺度界面可控构建并开展宽温吸波研究，具备重要现实意义。
三、文章亮点
1. 阐明中空纤维相分离形成机理，实现微观结构可控调控
结合相场模拟与实验表征，阐明液 ‑ 液相分离是实现纤维径向组分偏聚、生成中空结构的核心诱因。证实可通过前驱体 PVP/PSN 配比，定向调控纤维物相组成、缺陷浓度以及多尺度异质界面，为中空 SiC 复合纳米纤维的微观结构调控提供理论依据。
2. 构建多尺度协同损耗体系，实现优异室温吸波性能
借助微米纤维网络界面、纳米管壁相界面与原子尺度晶格缺陷，构建跨尺度协同损耗体系，改善阻抗匹配与介电损耗。在 PVP/PSN 质量比为 1:1 条件下制备的中空纤维， 1.39 mm 薄厚度下获得 4.96 GHz 的有效吸收带宽；配比 2:1 样品最小反射损耗可达 -56.11 dB ，展现出优异的室温吸波综合性能。
3. 实现 298-873 K 宽温域稳定吸波，适配极端高温服役条件
将优化后的中空 SiC 复合纳米纤维加入 AlPO 4 基体得到块体复合材料，在 298-873 K 宽温度范围保持稳定吸波效果。 673 K 获得 ‑82.14 dB 的优异反射损耗， 773 K 条件下 X 波段最大有效吸收带宽达到 4.08 GHz ，即使温度升高至 873 K ，材料依旧可以维持较大的有效吸收带宽与强反射损耗。
四、研究结果及结论
本工作以聚硅氮烷（ PSN ）与聚乙烯吡咯烷酮（ PVP ）作为前驱体系，利用前驱体醇解带来的分子不相容性诱发液 - 液相分离，通过调控 PVP/PSN 前驱体质量比，实现中空 SiC 复合纳米纤维物相、缺陷以及多尺度界面的精准调控；结合相场模拟解析中空纤维径向成分偏聚的演化过程，借助 XRD 、 Raman 、 XPS 、 TEM 等多种表征手段解析物相、缺陷与微观形貌演变规律，并系统评价室温以及 298‑873 K 高温条件下的电磁波吸收性能。
图 1 中空 SiC 复合纳米纤维制备与形成机理示意图
物相与微观结构表征结果表明，产物主要由 β‑SiC 晶相构成，同时伴随少量游离碳与非晶 SiOC 相。随着 PVP 占比降低，纤维形貌由致密连续纤维逐步向规整中空纤维转变，最终发生纤维破碎解体。 PVP 热解释放的碳源直接调控 SiC 堆叠缺陷与碳缺陷密度； PVP/PSN=1:1 的样品可获得管壁完整、无坍塌的中空纳米纤维，纤维内部形成大量由微米纤维网络、纳米相界面、原子尺度晶格缺陷共同构成的多尺度异质界面。
图 2 不同前驱体配比纤维微观形貌表征
室温电磁测试结果证实，多尺度界面可以同时优化阻抗匹配并诱发多重介电损耗。 P2S1 样品在 1.53 mm 厚度下最小反射损耗可达 ‑56.11 dB ； P1S1 中空纤维在仅 1.39 mm 厚度下实现 4.96 GHz 的最大有效吸收带宽。 Cole‑Cole 拟合分析表明，材料损耗机制包含导电损耗以及多尺度界面、缺陷带来的极化损耗；中空结构引入的界面进一步强化极化弛豫效应，改善阻抗匹配条件。
图 3 中空 SiC 复合纳米纤维室温电磁波吸收性能
将 P1S1 中空 SiC 复合纳米纤维复合加入 AlPO 4 基体制备块体 SA 复合材料，开展宽温域电磁波吸收性能测试。在 298‑873 K 温度区间内，复合材料保持稳定的吸波能力；随温度升高，异质界面处载流子被热激活，界面极化进一步增强， 773 K 时 X 波段最大有效吸收带宽达 4.08 GHz ， 673 K 取得 ‑82.14 dB 的优异最小反射损耗，即便在 873 K 高温依旧维持良好吸波效果。
图 4 SiC/AlPO 4 复合材料宽温域吸波性能
综合分析表明，液 - 液相分离是中空 SiC 复合纳米纤维形成的关键诱因，借助调节前驱体配比，能够实现材料微观结构与多尺度界面的有效调控。微米 - 纳米 - 原子跨尺度界面协同产生多重介电损耗，赋予材料优异的室温吸波性能；高温环境下热激活界面极化效应，保障了材料的宽温域吸波稳定性。
图 5 多尺度界面协同电磁波损耗机制示意图
五、作者及研究团队简介
刘少杰（第一作者 ），哈尔滨工业大学材料学院博士生，主要从事碳化硅基材料的电磁波吸收性能研究。
贾德昌（通讯作者） ，哈尔滨工业大学材料学院教授 / 博导，主要从事先进陶瓷与陶瓷基复合材料及应用等方面的科研与教学工作。
段小明（通讯作者） ，哈尔滨工业大学材料学院教授 / 博导，主要从事先进陶瓷基复合材料及结构功能一体化陶瓷构件制备与性能研究、碳基吸波材料的合成与研究。
黄小萧（通讯作者） ，哈尔滨工业大学材料学院教授 / 博导，研究方向为微纳米碳基复合材料的设计、制备、组织结构及性能研究。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
[1] Yan Y, Qin G, Zhang K, et al. Enhancing microwave absorption performance of MoS 2 by synergistic effect of Fe doping. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(3): 9221039. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221039
[2] Yan Y, Cheng Z, Chen T, et al. Rational high-entropy doping strategy via modular in situ /post solvothermal doping integration for microwave absorption. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(10): 9221168. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221168
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社有限公司 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 、 WJCI 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2026 年 6 月发布的 SCI 影响因子为 14 ，连续 6 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 种同类期刊第 1 名； 2026 年 2 月发布的 WJCI 影响因子为 15.350 ，位列 “ 陶瓷学 ”26 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2026 年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3534092-1558210.html
上一篇： 桂林理工大学相怀成/方亮团队：构型熵调控驱动相演变实现钒酸盐陶瓷近零温频系数与高品质因数 欢迎参加科学网十佳博文评选活动！ 主办单位： 
支持单位： 
主题：段小明和黄小萧团队