介电频散工程调控实现陶瓷复合材料在1473 K下的超宽带电磁波吸收

《Nature Communications》：Broadband electromagnetic absorption up to 1473?K enabled by dielectric frequency-dispersion engineering in ceramic composites

本研究针对高速飞行器在极端高温环境下对宽带电磁波吸收材料的迫切需求，通过介电频散(FD)工程策略，成功开发了多元超高温陶瓷(UHTC)硼化物/SiOC复合材料。研究团队通过调控多元极化弛豫时间(τ)和构建肖特基异质界面，实现了材料从室温至1473 K的优异频散特性，最终获得26.98 GHz的超宽带有效吸收带宽(EAB)。该工作为极端环境下高性能隐身材料的设计提供了新思路。

　　

随着飞行器马赫数的不断提升，其热端部件面临着极端动态热环境的严峻考验——更高的工作温度和剧烈的氧化环境。这些部件作为主要的电磁波散射源，亟需开发能够适应高温环境的宽带电磁波吸收材料，以应对现代多频段电磁探测系统的挑战。传统陶瓷基吸收材料在高温下普遍存在介电频散特性难以调控的瓶颈问题，导致其有效吸收带宽受限，目前最高工作温度通常低于1000°C。虽然宏观结构设计（如超材料）能够拓宽吸收带宽，但复杂的结构不利于在高温部件中的功能集成。因此，如何通过本征的介电频散工程调控原理，实现宽温域下稳定的介电响应，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，西北工业大学的研究团队受有限元分析方法的启发，提出了一种多组分调控的介电频散工程策略。他们创新性地采用具有可调表面氧化物厚度的多元超高温陶瓷硼化物（ZrB₂、TiB₂、NbB₂、HfB₂和TaB₂）作为吸收相，通过精确调控各组分的比例和界面特性，成功实现了材料介电频散特性的优化，最终制备出在2.8 mm厚度下具有26.98 GHz超宽带有效吸收带宽的陶瓷复合材料。

研究团队采用的关键技术方法包括：通过高温预处理调控UHTC硼化物表面B₂O₃层厚度，利用前驱体转化法制备SiOC基复合材料，结合电磁参数测试、第一性原理计算和雷达散射截面模拟等多尺度表征手段，系统分析了材料的微观结构、介电性能和电磁波吸收机制。

设计与仿真

理论研究显示，当介电常数的实部(ε′)和虚部(ε″)值表现出快速的频率依赖性衰减时，在1-4 mm厚度范围内可实现99.999%的吸收效率。德拜理论分析表明，极化机制和极化弛豫时间(τ)直接控制着介电常数(ε_r)的变化。通过增加吸收组分的数量（类似于增加有限元数量），利用各组分的独特介电特性协同优化复合材料的FD特性，可逐步逼近理想的介电FD分布。

制备与结构分析

研究人员首先对UHTC硼化物粉末进行热处理（600°C，Ar气氛），显著降低了表面无定形B₂O₃层的厚度，从而减少了电子传输的阻碍。随后通过前驱体转化法，将处理后的多元硼化物与聚硅氧烷前驱体复合，经交联、成型和1000°C热解，成功制备了S-MB系列陶瓷复合材料。

XRD和微观结构分析表明，MB吸收体均匀分散在SiOC基体中，形成了丰富的异质界面。CT三维重构进一步证实了多孔结构中各组分的均匀分布。

电磁参数与EMWA性能

S-MB样品表现出明显的介电FD特性，优于单组分硼化物复合材料。科尔-科尔曲线显示存在多个极化弛豫过程，其中极化损耗在衰减机制中占主导地位。随着MB含量的增加，弛豫峰向低频移动，弛豫时间从14.85 ps延长至30.61 ps。

高分辨TEM观察确认了PDC-SiOC与多元硼化物之间形成的高密度异质界面，这些界面是增强界面极化和调控介电FD特性的关键。

肖特基异质结的形成与界面电荷传输机制

功函数测试表明，PDC-SiOC的功函数（3.58 eV）明显高于UHTC硼化物，满足形成肖特基接触的条件。能带结构分析证实，硼化物的费米能级位于SiOC的带隙内，进一步支持了肖特基异质结的形成。

DFT计算揭示了界面处的电荷重新分布：电子从B₂O₃积累到SiOC界面，而在ZrB₂界面出现电子耗尽。这种定向电子迁移产生了内置电场，在交变电磁场作用下建立了振荡极化弛豫过程。

电磁波吸收性能与RCS减缩仿真

基于传输线理论的评估显示，S-MB-A样品在2.8 mm厚度下实现了10.08 GHz的有效吸收带宽，覆盖整个X、Ku波段和部分C波段。阻抗匹配分析表明，增强的FD特性有利于获得最优的阻抗匹配条件。

RCS仿真结果表明，与纯PEC基板相比，S-MB材料覆盖的样品在-90°到90°角度范围内的平均RCS值始终低于-20 dBm²，显示出优异的雷达隐身潜力。

热稳定性、化学稳定性及高温EMW吸收性能

样品在1473 K高温氧化和强酸（pH=1）条件下表现出良好的稳定性。高温XRD显示，超过1073 K时MB主要衍射峰逐渐减弱，同时形成SiO₂和多元氧化物衍生物。尽管氧化后吸收性能略有下降，但S-MB-A样品仍保持7.28 GHz的EAB，这归因于多元氧化物相抑制了氧扩散，保留了MB吸收体的多元极化效应。

高温EMW吸收性能

S-MB-A板材在室温下实现了26.98 GHz的超宽带吸收（2-40 GHz）。高温测试表明，样品在873 K时仍保持12.03 GHz的稳定吸收，在1473 K时EAB达到7.54 GHz。通过施加抗氧化层，S-MB-A板材在1473 K下的EAB进一步提升至10.26 GHz，创造了高温吸收性能的新纪录。

研究结论与意义

本研究通过介电频散工程策略，成功实现了陶瓷复合材料从室温到1473 K的宽带电磁波吸收。通过构建多元肖特基异质界面和利用MB吸收体的协同效应，有效调控了材料的介电频散特性，在2.8 mm厚度下获得了26.98 GHz的超宽带有效吸收带宽。该材料同时具备优异的抗氧化和耐腐蚀性能，RCS仿真进一步验证了其雷达隐身潜力。这项工作不仅为调控电磁波吸收材料的FD特性提供了新的思路，也为极端环境下宽带隐身材料的发展提供了重要的理论和技