Polímero

Oct 01, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 267 (2023) Citar este artigo

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Materiais absorventes de micro-ondas para ambientes agressivos de alta temperatura são altamente desejáveis ​​para peças aquecidas aerodinamicamente e pontos quentes induzidos por combustão de motores de aeronaves. Este estudo relata compósitos cerâmicos com excelente e estável absorção de micro-ondas em alta temperatura no ar, que são feitos de polímero derivado de SiOC reforçado com estrutura nanofásica núcleo-casca de ZrB2/ZrO2. Os compósitos cerâmicos fabricados possuem uma interface t-ZrO2 cristalizada entre os domínios ZrB2 e SiOC. Os compósitos cerâmicos exibem propriedades dielétricas estáveis, que são relativamente insensíveis à mudança de temperatura desde a temperatura ambiente até 900 °C. A perda de retorno excede - 10 dB, especialmente entre 28 e 40 GHz, nas temperaturas elevadas. As propriedades estáveis ​​de absorção eletromagnética (EM) de alta temperatura são atribuídas às propriedades dielétricas e elétricas estáveis ​​induzidas pela estrutura de nanofase núcleo-casca de ZrB2/ZrO2. O t-ZrO2 cristalizado serve como interface dielétrica em nanoescala entre ZrB2 e SiOC, que são favoráveis ​​para a introdução de ondas EM para aumentar a absorção e a perda de polarização. A existência da interface t-ZrO2 também altera a condutividade DC dependente da temperatura dos compósitos cerâmicos ZrB2/SiOC quando comparados aos de ZrB2 e SiOC sozinhos. Resultados experimentais de testes termomecânicos, de fluxo de jato, choque térmico e vapor d'água demonstram que os compósitos cerâmicos desenvolvidos têm alta estabilidade em ambientes hostis e podem ser usados ​​como materiais estruturais de absorção de micro-ondas de banda larga de alta temperatura.

Materiais absorvedores de micro-ondas de alta temperatura são de grande interesse para peças aerodinamicamente aquecidas de sistemas supersônicos e hipersônicos, como cone de cabeçote, bicos de admissão e escape do motor e aeroshells. Esses materiais são usados ​​para a dissipação da onda eletromagnética (EM) para reduzir a assinatura do radar1,2,3. As aplicações acima não exigem apenas que os materiais resistam à oxidação, mas também mantenham uma boa absorção de micro-ondas em altas temperaturas. Devido à sua densidade relativamente baixa e boa resistência a altas temperaturas, os materiais cerâmicos são considerados os materiais mais adequados para tais aplicações. Atualmente, as cerâmicas absorventes de micro-ondas incluem cerâmicas à base de óxido e cerâmicas à base de não óxido (SiC, SiCN e Si3N4) por meio de rotas derivadas de polímeros. Por exemplo, os compósitos SiC/SiO2 mostraram uma largura de banda de absorção efetiva (EAB, < − 10 dB) de 4,2 GHz a uma espessura de 2,8 mm a 500 °C na banda X4. Os compósitos Cf/SiCNFs/Si3N4 tiveram uma perda de retorno (RL) tão baixa quanto - 20,3 dB a 800 °C para uma espessura de 2 mm5. O EAB de compósitos SiCf/SiC é de 2,8 GHz a uma espessura de 2,5 mm a 600 °C para a banda X6.

Entre essas cerâmicas ou compósitos cerâmicos, as cerâmicas derivadas de polímeros (PDCs) são consideradas cerâmicas de absorção EM de alta temperatura promissoras devido às suas propriedades elétricas e dielétricas ajustáveis, bem como temperatura de processamento relativamente baixa, excelente resistência à oxidação em alta temperatura e flexibilidade em projeto e fabricação7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. A refletividade média do SiC derivado de polímero é ~ − 9,9 dB devido à formação de SiC nanocristalino e dos nanodomínios de carbono livre. A fim de melhorar ainda mais a absorção de micro-ondas dos PDCs, fases eletricamente condutivas foram incorporadas à matriz para melhorar a perda de condução. Por exemplo, após a adição do MWCNT, o RL mínimo do PDC-SiBCN atinge − 32 dB com um EAB de 3 GHz na banda X, mostrando uma melhor capacidade de absorção de onda do que o SiBCN tratado na mesma temperatura17. O RL mínimo da cerâmica SiC/SiOC atingiu − 61 dB em 8,6 GHz e o EAB mais amplo atingiu 3,5 GHz na banda X18.

Para aplicações de temperatura ainda mais alta, cerâmicas eletricamente condutivas de temperatura ultra-alta (UHTCs), como HfC e ZrB2, foram introduzidas nos PDCs, porque essas cerâmicas não têm apenas excelente condutividade elétrica, mas também pontos de fusão super altos, alta temperatura retenção de propriedades mecânicas, excelente resistência à corrosão e boa resistência à oxidação em altas temperaturas. Por exemplo, o EAB de compósitos derivados de polímeros (SiC/HfC/C)/SiO2 cobre 72% da banda X com uma espessura de 3,33 mm14. O EAB de compósitos SiOC-ZrB2 derivados de polímero cobre toda a banda Ka com uma espessura de 3 mm à temperatura ambiente (RT)19.