Composto cerâmico transparente altamente eletromagnético feito de nanotubos de nitreto de boro e oxinitreto de silício através do método de infiltração de peridropolissilazano

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14374 (2022) Citar este artigo

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Com o rápido desenvolvimento de dispositivos de circuito de ondas eletromagnéticas (EM), materiais transparentes de ondas de alto desempenho com várias funções atraíram grande atenção. O material cerâmico é um candidato promissor para ser aplicado em ambientes agressivos devido à sua resistência química e à corrosão. Neste trabalho foi adotada uma rota derivada de polímero para sintetizar compósitos cerâmicos à temperatura ambiente. O compósito é feito de cerâmica SiON derivada de peridropolissilazano e reforçado com folhas de nanotubos de nitreto de boro (BNNTs). Com a adição de materiais cerâmicos SiON, a amostra resultante apresentou excelente hidrofobicidade com ângulo de contato de 135–146,9°. Mais importante ainda, foi observada estabilidade térmica superior a 1600 ° C na atmosfera contendo oxigênio para a amostra fabricada de SiON / BNNTs, sem qualquer alteração de formato. A transparência eletromagnética dos SiON/BNNTs foi estudada através do método de guia de ondas. A amostra preparada de SiON/BNNTs tem uma permissividade real média entre 1,52 e 1,55 e um valor médio de tangente de perda na faixa de 0,0074–0,0266, na faixa de frequência de 26,5–40 GHz. O efeito da espessura na transparência das ondas de amostras de SiON/BNNTs também é discutido. Para resumir os resultados superiores de caracterização e medição acima mencionados, o sistema de material SiON / BNNTs apresentado tem um grande potencial para ser usado como materiais transparentes EM em condições adversas.

Os materiais transparentes às ondas têm atraído muita atenção nas últimas décadas, pois esse tipo de material é de vital importância para a fabricação de invólucros de antenas e para proteger o sistema de antenas de radar do meio circundante1. Em geral, materiais transparentes às ondas qualificados possuem duas características, baixa permissividade dielétrica (ε <4) e tangente de baixa perda (tanδ: 10−2–10−3)2,3, para reduzir o consumo de energia. Polímeros transparentes às ondas e materiais cerâmicos são duas categorias principais amplamente utilizadas em sistemas de rádio de aeronaves hipersônicas, veículos de reentrada, mísseis de alta velocidade e outros dispositivos similares . Comparados aos compósitos poliméricos, os materiais cerâmicos transparentes às ondas2,6 apresentam vantagens exclusivas adicionais com altos pontos de fusão, resistência à abrasão, resistência à corrosão atmosférica e mais estabilidade em ambientes agressivos. Por exemplo, o sulfeto de zinco (ZnS)7 é um dos materiais mais comuns para janelas de antenas infravermelhas de ondas longas desde a década de 1960, e seu excelente desempenho em propriedades mecânicas/térmicas/de fabricação foi extensivamente investigado por outros. No entanto, as duras exigências do local de trabalho severo e a exigência de redução de peso empurraram o ponto focal para uma área desafiadora de desempenho leve e transparente às ondas, que engloba as características desejáveis ​​tanto dos polímeros como da cerâmica.

Nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) são cilindros com diâmetros submicrométricos e comprimentos micrométricos. Possuem propriedades atrativas exibidas pela combinação de baixa constante dielétrica e alto módulo de elasticidade8,9,10. Os BNNTs têm sido aplicados como um tipo de material de reforço para fabricar compósitos cerâmicos com excepcional condutividade térmica e constante dielétrica . Os BNNTs são um material dielétrico de baixo k com constante dielétrica relativa variando de 1,0 a 1,1 (50 Hz–2 MHz)8 e são promissores para aplicações mecânicas devido ao alto módulo. Por exemplo, os BNNTs supostamente possuem um excelente módulo de Young (estimado em até 1,22 ± 0,24 TPa)13, variando no diâmetro e espessura do nanotubo14. Assim, os BNNTs podem ser um candidato potencial para uso em aplicações transparentes de ondas de alta temperatura devido à sua baixa constante dielétrica e tangente de perda, excelente estrutura ultraleve e alto ponto de fusão. No entanto, com base nas aplicações potenciais de materiais transparentes às ondas em mísseis de alta velocidade, a condutividade térmica notavelmente alta (21,39 W/mK a 25% em peso de BNNTs)15 pode limitar sua aplicabilidade adicional neste campo. A vitrocerâmica16, um novo material sólido policristalino, é feita de fases microcristalinas e amorfas, e também tem recebido interesse crescente recentemente. O oxinitreto de silício (SiON) pertence à família da vitrocerâmica, e sua condutividade térmica ultrabaixa (1,1–1,4 W/mK) e constante dielétrica relativa (3,7–3,9)17 podem compensar as deficiências que os BNNTs possuem. Especificamente, os BNNTs revestidos com SiON podem ser a base para novos materiais e processos revolucionários, e este novo compósito mencionado pela primeira vez lançará alguma luz sobre materiais transparentes às ondas.