Исследовательская группа под руководством профессора Хуан Чжулиня из Хэфэйских институтов физических наук Китайской академии наук успешно синтезировала новый гибкий нановолокнистый войлок. Этот материал, описанный в журнале Journal of Materiomics, обладает уникальным сочетанием сверхнизкой теплопроводности и исключительной способности поглощать электромагнитное (микроволновое) излучение.
Стремительное развитие современных технологий создает острую потребность в материалах, которые не только эффективно поглощают электромагнитные волны, но и являются легкими, термостойкими и способными выдерживать экстремальные условия эксплуатации. Разработка таких многофункциональных материалов является актуальной задачей.
Существующие материалы на основе углерода, широко применяемые для поглощения электромагнитных волн, сталкиваются с рядом проблем. К ним относятся плохое согласование импеданса и ограниченная эффективность в жестких условиях эксплуатации из-за чрезмерного отражения волн, вызванного высокой электропроводностью углерода.
Новый разработанный материал представляет собой нановолокнистый войлок на основе ZrO2/ZrB2/C (диоксид циркония/диборид циркония/углерод). Стратегия его создания заключалась во внедрении диоксида и диборида циркония в углеродные волокна, формируя многокомпонентную композитную структуру.
Такой дизайн позволил решить проблему избыточного отражения электромагнитных волн, характерную для чистого углерода. Включение ZrO2 и ZrB2 значительно улучшает согласование импеданса материала со свободным пространством, что приводит к усилению поглощения электромагнитных волн в широком диапазоне частот.
Показатели поглощения микроволнового излучения у нового материала впечатляют: максимальные потери на отражение достигают -54 дБ, что свидетельствует о высокой эффективности поглощения. Ширина полосы поглощения составляет 3.1 ГГц, указывая на широкополосные характеристики.
Теоретические расчеты показывают, что компоненты ZrO2/ZrB2 способствуют переносу электронов на границах раздела фаз внутри материала. Это, в свою очередь, усиливает межфазную поляризацию – один из ключевых механизмов эффективного ослабления (поглощения) электромагнитных волн.
Моделирование также продемонстрировало потенциал материала в области радиолокационной невидимости (стелс). Он способен эффективно снижать рассеяние радиолокационных волн, что является критически важной характеристикой для стелс-технологий.
Наряду с электромагнитными свойствами, материал обладает выдающимися теплоизоляционными характеристиками. Его теплопроводность составляет всего 0.016 Вт·м⁻¹·К⁻¹ при температуре 1100 °C. Это значение является одним из самых низких, когда-либо зарегистрированных для подобных материалов.
Сверхнизкая теплопроводность достигается благодаря сложной структуре с множеством межфазных границ, которые эффективно препятствуют переносу тепла. Кроме того, свойства поверхности материала способствуют рассеиванию тепла за счет излучения.
Данное исследование открывает новый путь к созданию многофункциональных материалов. Разработанный нановолокнистый войлок ZrO2/ZrB2/C особенно перспективен для применений, требующих эффективного поглощения микроволнового излучения в сложных и экстремальных условиях эксплуатации, включая высокие температуры.
Изображение носит иллюстративный характер
Стремительное развитие современных технологий создает острую потребность в материалах, которые не только эффективно поглощают электромагнитные волны, но и являются легкими, термостойкими и способными выдерживать экстремальные условия эксплуатации. Разработка таких многофункциональных материалов является актуальной задачей.
Существующие материалы на основе углерода, широко применяемые для поглощения электромагнитных волн, сталкиваются с рядом проблем. К ним относятся плохое согласование импеданса и ограниченная эффективность в жестких условиях эксплуатации из-за чрезмерного отражения волн, вызванного высокой электропроводностью углерода.
Новый разработанный материал представляет собой нановолокнистый войлок на основе ZrO2/ZrB2/C (диоксид циркония/диборид циркония/углерод). Стратегия его создания заключалась во внедрении диоксида и диборида циркония в углеродные волокна, формируя многокомпонентную композитную структуру.
Такой дизайн позволил решить проблему избыточного отражения электромагнитных волн, характерную для чистого углерода. Включение ZrO2 и ZrB2 значительно улучшает согласование импеданса материала со свободным пространством, что приводит к усилению поглощения электромагнитных волн в широком диапазоне частот.
Показатели поглощения микроволнового излучения у нового материала впечатляют: максимальные потери на отражение достигают -54 дБ, что свидетельствует о высокой эффективности поглощения. Ширина полосы поглощения составляет 3.1 ГГц, указывая на широкополосные характеристики.
Теоретические расчеты показывают, что компоненты ZrO2/ZrB2 способствуют переносу электронов на границах раздела фаз внутри материала. Это, в свою очередь, усиливает межфазную поляризацию – один из ключевых механизмов эффективного ослабления (поглощения) электромагнитных волн.
Моделирование также продемонстрировало потенциал материала в области радиолокационной невидимости (стелс). Он способен эффективно снижать рассеяние радиолокационных волн, что является критически важной характеристикой для стелс-технологий.
Наряду с электромагнитными свойствами, материал обладает выдающимися теплоизоляционными характеристиками. Его теплопроводность составляет всего 0.016 Вт·м⁻¹·К⁻¹ при температуре 1100 °C. Это значение является одним из самых низких, когда-либо зарегистрированных для подобных материалов.
Сверхнизкая теплопроводность достигается благодаря сложной структуре с множеством межфазных границ, которые эффективно препятствуют переносу тепла. Кроме того, свойства поверхности материала способствуют рассеиванию тепла за счет излучения.
Данное исследование открывает новый путь к созданию многофункциональных материалов. Разработанный нановолокнистый войлок ZrO2/ZrB2/C особенно перспективен для применений, требующих эффективного поглощения микроволнового излучения в сложных и экстремальных условиях эксплуатации, включая высокие температуры.
