异质界面工程构建SiC@SiO2@C纳米纤维：同步实现微波吸收与耐腐蚀性能的突破

这篇研究通过异质界面工程（heterointerface engineering）设计多层核壳结构SiC@SiO2@C（SSC）纳米纤维，解决了单一组分SiC在微波吸收（MA）效率低和带宽窄的难题。通过引入SiO2中间层和氮掺杂碳壳，材料实现了-52.40 dB的最小反射损耗（RLmin）和7.68 GHz的超宽有效吸收带宽（EAB），同时凭借双保护层和三维网络结构显著提升聚偏氟乙烯（PVDF）涂层的耐腐蚀性（CR），为海洋环境下的多功能电磁防护材料开发提供了新策略。

　　

摘要

针对海洋装备对微波吸收（MA）和耐腐蚀（CR）协同性能的需求，研究团队通过化学气相沉积（CVD）合成碳化硅（SiC）纳米纤维，并采用异质界面工程依次构建SiO₂中间层和氮掺杂碳壳，形成SiC@SiO₂@C（SSC）多层核壳结构。该设计通过丰富的界面极化、缺陷诱导偶极极化和导电网络，实现了优异的电磁波衰减能力（RL_min=-52.40 dB，EAB=7.68 GHz）和38.42 dB·m²的雷达散射截面（RCS）缩减。同时，SSC/PVDF复合涂层的腐蚀电位显著提升，电流密度降低，展现出“迷宫效应”物理屏蔽与化学惰性双协同的CR性能。

1 引言

海洋高湿高盐环境对装备的隐身性和耐久性提出双重挑战。SiC因其适中介电常数和化学惰性成为理想候选材料，但单一组分导致MA性能受限。研究提出通过异质界面工程引入SiO₂和碳层，利用界面极化（如SiC/SiO₂和SiO₂/C的“电容器”结构）增强损耗机制，同时通过SiO₂钝化层和石墨化碳壳提升CR性能。

2 结果与讨论

2.1 纳米纤维的微观结构与组分

通过CVD和原位氧化制备的SSC纳米纤维呈现棱柱形形貌（直径150-400 nm），XRD和拉曼光谱证实了3C-SiC晶型（JCPDS 29-1129）及非晶SiO₂层。XPS显示氮掺杂碳壳中吡啶氮、吡咯氮和石墨氮的存在，通过电荷不对称分布增强偶极极化。透射电镜（TEM）和离轴电子全息术直观展示了SiC/SiO₂/C的清晰界面及空间电荷积累效应。

2.2 MA性能优化

SSC-3在1.8 mm厚度下实现超宽EAB（7.68 GHz），归因于：

1. 阻抗匹配：碳壳厚度调控使|Z_in/Z₀|接近1的区域扩大至19.78%；

2. 多重损耗机制：导电损耗（碳网络电子迁移）、界面极化（异质界面电荷迁移）和缺陷极化（氮掺杂诱导晶格畸变）。

2.3 CR性能与机制

电化学测试显示，SSC/PVDF的腐蚀电位（E_corr）较纯镍提升显著，Nyquist图中半圆半径增大，|Z|_{0.01 Hz}值提高，归功于：

1. 化学屏障：SiO₂层阻断Cl^-渗透，石墨化碳壳抑制电化学反应；

2. 物理屏蔽：纳米纤维网络延长腐蚀介质扩散路径。

3 结论

该工作通过异质界面工程实现了MA与CR性能的协同提升，为复杂环境下的多功能涂层材料设计提供了新思路。未来可进一步探索界面组分比例对极化损耗与耐蚀性的定量关系。

（注：全文严格依据原文实验数据与结论，未添加非文献支持内容。）