顆粒對SiCw/SiC層狀陶瓷電磁屏蔽性能的影響

解玉鵬

(吉林化工學(xué)院,吉林 吉林 132022)

顆粒對SiCw/SiC層狀陶瓷電磁屏蔽性能的影響

解玉鵬

(吉林化工學(xué)院,吉林 吉林 132022)

層狀陶瓷材料的電磁屏蔽效能對結(jié)構(gòu)功能一體化層狀陶瓷材料的設(shè)計具有重要影響。采用流延法與化學(xué)氣相滲透(chemical vapor infiltration,CVI)工藝相結(jié)合制備SiCw/SiC層狀陶瓷，研究碳化硅顆粒(SiC particle,SiCp)、氮化硅顆粒(Si3N4particle,Si3N4p)對SiCw/SiC層狀陶瓷電磁屏蔽性能的影響。結(jié)果表明：SiCw/SiC層狀陶瓷具有較高的電磁屏蔽性能，顆粒的加入有助于提高層狀陶瓷的電磁屏蔽性能。顆粒粒徑越小，材料的電磁屏蔽性能越好；并且SiCp的電磁屏蔽作用強于Si3N4p。

SiC晶須；層狀陶瓷；Si3N4顆粒；電磁屏蔽性能

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展對材料性能的要求也越來越高，除了要求高的力學(xué)性能外，還要求材料具有某些特殊性能和良好的綜合性能[1-4]。單一陶瓷材料難以滿足這些性能要求，陶瓷基復(fù)合材料便是以滿足這種需求而發(fā)展起來的高性能材料之一[5-7]。

在陶瓷基復(fù)合材料中，碳纖維增強陶瓷基復(fù)合材料表現(xiàn)出較為優(yōu)異的力學(xué)性能及其他性能[8-9]。但由于其應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常具有很低的線彈性段，比例極限應(yīng)力很低，其優(yōu)良的韌性主要來源于纖維/基體弱界面導(dǎo)致的非線性力學(xué)行為。因而碳纖維增強陶瓷基復(fù)合材料容易產(chǎn)生高的不可恢復(fù)的殘余變形，且應(yīng)力許用值低，不利于工程應(yīng)用。相比較而言，層狀陶瓷材料能夠具有較高的比例極限應(yīng)力，而且在不犧牲強度的條件下，提高材料的韌性，是一種很有潛力的陶瓷材料[10-12]。

本文研究SiC顆粒(SiCp)增強的SiCw/SiC層狀陶瓷的電磁屏蔽性能隨SiCp粒徑的變化規(guī)律，以及Si3N4顆粒(Si3N4p) 增強的SiCw/SiC層狀陶瓷的電磁屏蔽性能，為結(jié)構(gòu)功能一體化層狀陶瓷材料的制備提供依據(jù)。

1 實驗過程

1.1 原料

SiC晶須(SiCw)由阿法埃莎(中國)化學(xué)有限公司提供，名義直徑為1.5 μm，名義長度為18 μm，純度為99%。

SiC顆粒(SiCp)由北京華威銳科化工有限公司提供，粒徑包括0.5 μm、1.5 μm、10 μm、40 μm四種，純度為99%。

Si3N4顆粒(Si3N4p)由上海水田材料科技有限公司提供，粒徑包括0.3 μm和1.2 μm兩種，純度為99.9%。

1.2 工藝過程

采用流延法結(jié)合化學(xué)氣相滲透(CVI)的方法制備層狀結(jié)構(gòu)陶瓷。首先制備單層的陶瓷基片，采用流延法將增強體和各類化學(xué)試劑混合后制成薄膜；再采用化學(xué)氣相滲透法，在增強體薄膜上制備SiC基體。重復(fù)以上方法在陶瓷基片上制備多層材料，最終制備出層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料。經(jīng)切割、打磨后，對材料的進行電磁屏蔽性能的測試、分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiC顆粒粒徑對層狀陶瓷電導(dǎo)率的影響

圖1為電導(dǎo)率隨層狀陶瓷所含顆粒粒徑的變化而變化的趨勢，從圖中可以看出，SiCw/SiC層狀陶瓷的電導(dǎo)率最低，含SiC顆粒的層狀陶瓷的電導(dǎo)率明顯高于SiCw/SiC層狀陶瓷，且隨著顆粒粒徑的增大，層狀陶瓷的電導(dǎo)率基本保持不變，只是略有下降。較高的電導(dǎo)率將影響層狀陶瓷的電磁屏蔽效能。

圖1 不同顆粒粒徑的層狀陶瓷的電導(dǎo)率

2.2 SiC顆粒粒徑對層狀陶瓷電磁屏蔽效能的影響

圖2為SiC顆粒粒徑不同的層狀陶瓷的電磁屏蔽效能隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，SiCw/SiC層狀陶瓷的SEA、SER和SET分別為19.12 dB 、4.28 dB 和23.40 dB，其具有較好的電磁屏蔽性能，且電磁屏蔽效能主要為吸收屏蔽效能。說明當(dāng)電磁波遇到層狀陶瓷后，大部分電磁波均被吸收。

(a) 吸收屏蔽效能

(b) 反射屏蔽效能

(c) 總屏蔽效能圖2 SiC顆粒粒徑不同的層狀陶瓷的電磁屏蔽效能

同時，如圖所示，不同粒徑SiC顆粒的引入對吸收屏蔽效能(SEA)、反射屏蔽效能(SER)和總屏蔽效能(SET)均有提高作用。含1.5 μm、10 μm和40 μm SiC顆粒的層狀陶瓷的SEA分別為28.31 dB、24.68 dB和22.67 dB，分別比SiCw/SiC層狀陶瓷的SEA高9.19 dB、5.56 dB和3.55 dB(圖2(a))；SER分別為6.07 dB、5.57 dB和5.37 dB，分別比SiCw/SiC層狀陶瓷的SER高1.79 dB、1.29 dB和1.09 dB(圖2(b))；SET分別為34.39 dB、30.25 dB和28.04 dB，分別比SiCw/SiC層狀陶瓷的SET高10.99 dB、6.85 dB和4.64 dB(圖2(c))。由圖可以看出，顆粒的粒徑越小，層狀陶瓷的SEA、SER和SET越高，電磁屏蔽性能越好。

2.3 Si3N4顆粒對層狀陶瓷電磁屏蔽效能的影響

圖3為 Si3N4顆粒對層狀陶瓷電磁屏蔽效能的影響。如圖3所示，Si3N4顆粒的引入對吸收屏蔽效能(SEA)、反射屏蔽效能(SER)和總屏蔽效能(SET)均有提高作用。

(a) 吸收屏蔽效能

(b) 反射屏蔽效能

(c) 總屏蔽效能圖3 Si3N4顆粒對層狀陶瓷電磁屏蔽效能的影響

含Si3N4顆粒的層狀陶瓷的SEA、SER和SET分別為21.89 dB、5.13 dB和27.03 dB，分別比SiCw/SiC層狀陶瓷的SEA(19.12 dB)、SER(4.28 dB)和SET(23.40 dB)高2.77 dB、0.85 dB和3.63 dB。可以看出，雖然Si3N4顆粒對SiCw/SiC層狀陶瓷的電磁屏蔽效能有提高作用，但是與SiC顆粒對電磁屏蔽效能的提高相比，其作用較小。

3 結(jié) 論

(1) 層狀陶瓷具有較好的電磁屏蔽性能，且其電磁屏蔽效能主要由吸收屏蔽效能提供。

(2) SiC顆粒的引入對提升材料電磁屏蔽性能有顯著作用。當(dāng)SiC顆粒粒徑為1.5 μm時，材料的電磁屏效能最高，其SEA、SER和SET分別為28.31 dB、6.07 dB和34.39 dB，比SiCw/SiC層狀陶瓷的分別高9.19 dB、1.79 dB和10.99 dB。

(3) Si3N4顆粒的引入也有利于提升材料電磁屏蔽性能。含Si3N4顆粒的層狀陶瓷的SEA、SER和SET分別為21.89 dB、5.13 dB和27.03 dB，分別比SiCw/SiC層狀陶瓷高2.77 dB、0.85dB和3.63 dB。

(4) SiC和Si3N4顆粒均能有效提高層狀陶瓷的電磁屏蔽性能，其中SiC顆粒對SiCw/SiC層狀陶瓷的電磁屏蔽效能的提高幅度顯著。

[1] Naslain R.Design,Preparation and Properties of Non-oxide CMCs for Application in Engines and Nuclear Reactors: an Overview[J].Composites Science and Technology,2004,64: 155-170.

[2] 張立同，成來飛.連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略探討[J].復(fù)合材料學(xué)報,2007,24(2): 1-6.

[3] 丁名訊，恤勤濤，龐旭堂，等.電磁屏蔽材料的研究進展[J].宇航材料工藝,(4): 12-15.

[4] 陳先華，劉娟，張志華，等.電磁屏蔽金屬材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].兵器材料科學(xué)與工程,2012,35(5): 96-100.

[5] 陳曦，曹雷團，吳強，等.碳纖維復(fù)合材料的屏蔽效能[J].宇航材料工藝,2014(2): 58-61.

[6] Z. Chen J.J.Mecholsky J.Control of Strength and Toughness of Ceramic-metal Laminates Using Interface Design[J].Journal of Materials ReSEArch,1993,8(9): 2362-2369.

[7] 戴金輝，李建保.晶粒原位異向生長與自增韌陶瓷材料[J].稀有金屬,2002,26(6): 468-476.

[8] 郭海，黃勇，李建保.層狀氮化硅陶瓷的性能與結(jié)構(gòu).pdf[J].硅酸鹽學(xué)報,1997,25(5): 532-536.

[9] Mei H,Cheng L.Comparison of the Mechanical Hysteresis of Carbon/ceramic-matrix Composites with Different Fiber Preforms[J].Carbon,Elsevier Ltd,2009,47: 1034-1042.

[10] Xie Y,Cheng L,Mei H,et al.Effect of SiC Particles on Mechanical Properties of Laminated (SiCw+SiCp)/SiC Ceramic Composites[J].International Journal of Applied Ceramic Technology,2015,12(3): 535-541.

[11] 解玉鵬，丁力，王顯德，等.層狀結(jié)構(gòu)陶得制備工藝與增韌機理的研究[J].大學(xué)物理實驗，2014，27(6)：6-9.

[12] 解玉鵬，王顯德，趙國明.Sic顆粒含量和粒徑對層狀結(jié)構(gòu)陶得致密度的影響[J].大學(xué)物理實驗，2015，28(6)：1-3.

Effect of Particles on Electromagnetic Shielding Properties of Laminated Ceramics

XIE Yu-peng

(Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022)

Electromagnetic shielding properties of laminated ceramics had an important influence to the design of structure and function integration laminated ceramics.Laminated SiCw/SiC ceramics were fabricated by tape casting and chemical vapor infiltrations (CVI),effect of SiC particle and Si3N4particle on electromagnetic shielding properties of the ceramics were investigated.The results showed that laminated SiCw/SiC ceramics had high electromagnetic shielding properties,in which the electromagnetic shielding properties were increased by introduction of particles.The smaller the particle size,the better the electromagnetic shielding properties of the ceramics.Therefore,the electromagnetic shielding properties of SiCpwere higher than that of Si3N4p.

SiC whisker；laminated ceramics；Si3N4particle；electromagnetic shield in properties

2016-08-30

吉林省教育廳科學(xué)研究資助項目(2015437)；吉林化工學(xué)院校級項目(2015053)；吉林化工學(xué)院校級博士啟動項目(2015129)；吉林化工學(xué)院重大科技項目(2015011)

1007-2934(2016)06-0001-03

TG 174.44

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.001