Каркас Al₂O₃ с аэрогелем для высокотемпературного поглощения

Многофункциональная сотовая сэндвич-надстройка на основе керамики, сочетающая в себе поглощение электромагнитных волн, теплоизоляцию и механическую нагрузку. Заполнив аэрогели градиентного сопротивления в сотах из оксида алюминия, напечатанных на 3D-принтере, он достиг рекордной широкополосной полосы поглощения 14,18 ГГц при высокой температуре 500 ° C, а также имеет прочность на сжатие 31,76 МПа.

Предпосылки исследования

Современные радары, корабельные электронные системы и бортовое оборудование связи часто сталкиваются при работе с экстремальными тепловыми условиями. Корпуса этих электронных устройств должны выполнять одновременно три роли: поглотитель электромагнитных волн (для обеспечения радиолокационной скрытности), теплоизолятор (для предотвращения теплопроводности) и несущая конструкция (для обеспечения механической поддержки).

Однако существующие поглощающие материалы имеют свои недостатки: - Материалы с электрическими потерями (такие как проводящие полимеры на основе углерода) склонны к окислению и разрушению при высоких температурах - Материалы с магнитными потерями (такие как феррит) имеют низкие температуры Кюри, и их магнетизм резко ослабевает при высоких температурах - Материалы с диэлектрическими потерями (такие как волокна SiC) имеют узкую полосу поглощения и с трудом охватывают широкие частоты.

Что еще более важно, большинство традиционных решений наносят на поверхность конструкции поглощающие покрытия. Хотя эта конструкция типа «обшивка» проста, она имеет плохую несущую способность и с трудом отвечает потребностям конструктивных деталей.

Как одновременно добиться широкополосного поглощения волн, высокой температурной стабильности, теплоизоляции и механической нагрузки в интегрированной конструкции? Эта проблема беспокоила материаловедческое сообщество уже много лет.

Методы

Профессор Ли Вэйцзе из Пекинского технологического института в Чжухае возглавил группу по публикации статьи под названием «Комплексное изготовление 3D-печатных керамических сот с градиентно-резистивными аэрогелевыми наполнителями для поглощения высокотемпературных широкополосных радиолокационных сигналов» в разделе «Композиты, часть A: Прикладная наука и производство» и предложил гениальное решение с помощью керамического 3D-принтера промышленного класса KUNWU: сотовую сэндвич-надстройку.

Керамический 3D-принтер промышленного класса KUNWU (после обновления внешнего вида)

Принципиальная схема общей конфигурации сотовой сэндвич-надстройки и схемы покрытия, стойкого к градиенту

Основной концепцией дизайна этой структуры является функциональное разделение с различными группами, назначенными для их соответствующих функций:

Несущий каркас: соты из оксида алюминия (Al₂O₃), напечатанные на 3D-принтере. Глинозем представляет собой типичную высокотемпературную конструкционную керамику с температурой плавления более 2000°C и прочностью на сжатие до сотен МПа. Технология 3D-печати позволяет точно контролировать толщину стенок, размер пор и расположение сот для оптимизации механических свойств и электромагнитного отклика.

Функциональный наполнитель: многослойный войлок из кремнеземного аэрогеля, наполненный сотовыми отверстиями. Аэрогель известен как «твердый дым». Его пористость достигает более 90%, а теплопроводность составляет всего 0,02 Вт/(м·К). Это отличный теплоизоляционный материал. Более того, пористая структура аэрогеля обеспечивает идеальную основу для последующих покрытий.

Впитывающее покрытие: градиентное резистивное покрытие, созданное на поверхности аэрогеля. Были разработаны три узорчатых слоя сопротивления (материалы на основе углерода) с разными значениями сопротивления в каждом слое и градиентным изменением снаружи внутрь. Такая конструкция обеспечивает синергетический эффект согласования импедансов и омических потерь, в результате чего падающая электромагнитная волна постепенно затухает в многослойной структуре, в конечном итоге достигая широкополосного поглощения.

Защитное покрытие: Плотное покрытие из диоксида кремния (SiO₂) защищает внутреннюю структуру от эрозии окружающей среды.

Почему конструкция градиентного резистора может обеспечить широкополосное поглощение? Здесь необходимо понять основной физический механизм: согласование импедансов.

Электромагнитные волны будут отражаться на границе раздела двух сред, и интенсивность отражения зависит от разницы импедансов между двумя средами. Если импедансы не совпадают, большинство электромагнитных волн будут отражаться от поверхности и не смогут проникнуть внутрь материала для поглощения.

Традиционные монослойные абсорбенты обычно сочетаются с сопротивлением в узкой полосе, что приводит к ограниченной полосе поглощения. Конструкция градиентного сопротивления эквивалентна созданию антигравитационного слоя внутри материала:

• Наружный слой имеет меньшее сопротивление, близкое к импедансу свободного пространства, чтобы пропускать волну внутрь.

• Средний слой имеет умеренное сопротивление и рассеивает энергию за счёт омических потерь.

• Внутренний слой с повышенным сопротивлением совместно со сплошным нижним резистивным покрытием обеспечивает поглощение.

Эта конструкция позволяет материалу находить подходящие соответствия сопротивления на разных частотах и, таким образом, достигать эффективного поглощения в широком диапазоне.

Оптимизация структурных параметров включает в себя: (а) конфигурацию электромагнитной границы при моделировании CST; (b) толщина нижней пластины «d1»; (c) толщина верхней пластины «d2»; (d) толщина слоя наполнителя «h»; (e) длина стороны сотовой конструкции «l»; (f) длина внутренней кромки внешнего резистивного покрытия «R»; (g) длина внутренней кромки внутреннего резистивного покрытия «r»; (h) толщина сотовой стенки «t»; (i) ширина резистивного покрытия «w».

Результаты моделирования ясно показывают, что на разных частотах потеря мощности электромагнитных волн сосредоточена в разных слоях сопротивления, и это является физическим доказательством конструкции градиента для достижения широкополосного поглощения.

Результаты

Результаты экспериментов показывают, что эта сотовая сэндвич-надстройка хорошо работает по ряду показателей:

Характеристики электромагнитного поглощения: - Стабильное широкополосное поглощение достигается в широком диапазоне температур от комнатной температуры до 500°C. - При высокой температуре 500°C эффективная полоса поглощения (потери на отражение < -10 дБ, т. е. степень поглощения > 90 %) достигает 14,18 ГГц, охватывая полосу частот 2,32–16,5 ГГц. - Это означает, что она охватывает почти весь X-диапазон (8–12 ГГц) и Ku-диапазон. (12–18 ГГц)

Процесс приготовления сотовой сэндвич-надстройки

Характеристики теплоизоляции: - В испытании на воздействие высоких температур температура задней стороны была значительно ниже, чем температура передней стороны, что доказывает, что сотовая структура, наполненная аэрогелем, эффективно подавляет теплопроводность. - Это обеспечивает возможность скрытности инфракрасного излучения - снижение температуры целевой поверхности и уменьшение инфракрасного излучения.

Механические свойства: - Прочность на сжатие достигает 31,76 МПа, что эквивалентно выдерживанию давления около 320 килограммов на квадратный сантиметр. - Общая плотность конструкции составляет около 1,6 г/см³, относительно легкий вес. - Испытания на удар показывают, что сотовая структура обладает эффективной способностью рассеивания энергии.

Этот сверхструктурированный производственный процесс, который сочетает в себе многие передовые технологии производства, также заслуживает внимания.

Сотовый скелет, напечатанный на 3D-принтере: сотовая структура изготавливается с использованием суспензии оксида алюминия с помощью технологии светоотверждаемой 3D-печати. Точность печати может достигать микронного уровня, а толщину стенок и размер пор можно точно контролировать.

Наполнение аэрогелем: введите золь кремнезема в сотовые отверстия и сформируйте наполнитель из аэрогеля посредством золь-гель-процесса и сверхкритической сушки.

Приготовление покрытия, стойкого к градиенту: Покрытия на основе углерода с различными значениями поверхностного сопротивления последовательно наносятся на поверхность аэрогеля путем распыления по маске. Рисунок и значение сопротивления каждого покрытия тщательно разработаны.

Упаковка крышки: Наконец, она герметизируется крышкой из диоксида кремния, образуя полную сэндвич-структуру.

Морфологические характеристики подушечки аэрогеля и резистивного покрытия: (а) Макроскопическая фотография подушечки аэрогеля; (б) КТ-изображение аэрогелевой подушечки; (c) СЭМ-изображение морфологии подушки из аэрогеля; (г) Макроскопическая фотография резистивного покрытия; (д) – КТ-реконструированное изображение резистивного покрытия; (f) СЭМ-изображение морфологии резистивного покрытия.

Выводы

Основная ценность этой работы заключается не только в достижении рекордных показателей широкополосного поглощения, но и в создании общей парадигмы проектирования многофункциональных поглощающих нагрузку композитных материалов посредством интеграции иерархии.

В традиционном дизайне три функции: поглощение волн, теплоизоляция и несущая способность часто конфликтуют друг с другом: добавление волнопоглощающего агента снижает механические свойства, а добавление теплоизоляционного слоя утолщает структуру. Благодаря иерархической составной конструкции «керамический сотовый каркас (несущий) + аэрогель (теплоизоляция) + слой сопротивления градиенту (поглощение волн)» эти три функции умело разделены и могут работать вместе в одной структуре.

В будущем эта концепция дизайна может быть распространена на: - другие керамические материалы (например, SiC, ANN) для оптимизации высокотемпературных характеристик - спрос на всасывание в других частотных диапазонах (например, низкочастотные, миллиметровые волны) - более экстремальные условия обслуживания (например, испытания на тепловую мощность-электромагнитное соединение)

Эта многофункциональная интегрированная структура обеспечивает многообещающее техническое решение для таких сценариев применения, как защита мощного электронного оборудования, аэрокосмические стелс-структуры и обтекатели корабельных радаров.

Информация о цитировании статьи: Хан, Ю. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2026.109764.