哈工大杜耘辰&韩喜江教授：强吸收/宽响应WC/C吸波材料的非溶剂法制备

研究发现，二氰二胺与偏钨酸铵的质量比可以调节复合材料中碳化钨和碳的相对组成，但对WC_1-x纳米粒子的平均尺寸影响较小。随着碳纳米片含量的增加，复合材料的相对复介电常数和介电损耗能力会随着电导损耗和极化弛豫损耗的增强而不断增大。不同的介电特性使复合材料具有可调节的衰减能力和阻抗匹配情况。当偏钨酸铵与二氰二胺的质量比为6.0时，制备得到的复合材料具有良好的微波吸收性能，并在f=17.5 GHz处可以得到最强的反射损耗(-55.6 dB)，而通过对材料厚度的控制(1.0~5.0 mm)，可使其有效吸收(RL<-10.0dB)覆盖3.6~18.0 GHz的频率范围。这种性能优于许多传统碳化物/碳复合材料。

II 可控的化学组成

III 可调变的电磁性能

相对复介电常数和复磁导率是吸波材料对电磁性能的重要体现。由于碳化钨/碳复合材料中并没有磁性组分，因此它们的相对复磁导率的实部和虚部分别位于1和0附近，也就是说复合材料并不会形成有效的磁性损耗。然而，随着复合材料中碳含量的变化，无论是实部还是虚部都出现了较为明显的变化(图4)。例如，WCC-2的实部和虚部在2.0-18.0 GHz频率范围内几乎为常数，其实部值为4.35，虚部值为0.24。但是在样品WCC-6中，其相对复介电常数实部和虚部的最大值均出现在2.0 GHz处，分别达到了18.87和12.60，而随着入射电磁波频率的变化，实部和虚部的值都开始逐渐下降，并在18.0 GHz处分别达到最小值10.87和4.25。而对于WCC-8，其相对复介电常数的变化趋势虽与WCC-6相同，但实部和虚部的最大值将进一步增加到29.84和21.09，相应的最小值分别为13.33和8.43。相对复介电常数的增加意味着复合材料的介电损耗能力也在增强，而介电损耗能力的增强则主要来源于两个方面：一、碳纳米片的导电性要远强于WC_1-x粒子的导电性，故碳含量的增加有助于提升电导损耗；二、随着碳纳米片的增多，WC_1-x纳米粒子的分散性也越来越好，从而导致更多的异质界面和更强的界面极化。

图4. WCC-x复合材料的相对复介电常数(a) 实部和(b) 虚部。

基于相对复介电常数和复磁导率计算可得WCC-x的反射损耗特性(图5)。从图中可以看出，WCC-2由于介电损耗能力弱，不能进行有效的微波吸收(图5a)。而介电损耗能力的增加提高了WCC-4的吸波性能(图5b)，但其最小反射损耗强度仍大于-10.0dB，依然无法满足实际应用需求。相比而言，WCC-6的吸收性能则明显改进(图5c)，其最大反射损耗可达-55.6dB(d=1.34 mm, f=17.5 GHz)，当吸收剂厚度由1.00变化到5.00 mm时，有效吸收带宽可覆盖3.6-18.0 GHz的超宽频率范围。这样的吸波性能优于多数常规的碳化物/碳的复合材料，也说明介电损耗能力的强弱对吸波性能影响极大。然而，随着碳含量的进一步增加，WCC-8并不能产生预期的微波吸收增强(图5d)。相反，其最大反射损耗和有效吸收带宽降回到-11.3 dB(d=1.20 mm, f=18.0 GHz)和7.0 GHz (11.0-18.0 GHz)。

吸波材料的反射损耗能力主要依赖于其介电损耗能力和磁损耗能力，碳化钨/碳复合吸波材料不具备磁损耗能力，因此，其衰减能力则是单独由其介电损耗能力决定的，而衰减常数能够较为直观的体现出材料的衰减能力。由衰减常数图(图6a)可以得出，WCC-x的衰减常数随着电磁波频率的增加而单调增加，结合介电损耗角的正切值(图6b)，可以看出，特定频率下的衰减常数与介电损耗正切值的大小顺序是一致的。如果单纯从衰减常数来看，WCC-8应该拥有最优的反射损耗性能，而实际上，WCC-6的性能在所有样品里是最优的。这是由于反射损耗性能还与材料的阻抗匹配程度有关，如果阻抗匹配程度不好，则入射的电磁波可能在材料的表面产生强烈的反射，反而不能够被有效吸收。因此，吸波材料需要在衰减能力和阻抗匹配之间取得平衡，从而使得材料具有最佳的反射损耗能力。从阻抗匹配图中可以看出(图7)，WCC-6的阻抗匹配情况远远好于WCC-8(趋于零的区域越大，匹配效果越好)。综上，WCC-6的优异吸波性能源自于其良好的衰减能力和阻抗匹配效果。