Forscher nutzen Mehrphasenzusammensetzung und Elektrospinnen, um SiOC-Nanofasern herzustellen

Die rasanten Fortschritte in der Elektronikindustrie haben den zivilen Einsatz erheblich erleichtert, aber auch zur Elektrosmogverschmutzung beigetragen, die ein Risiko für die menschliche Sicherheit darstellt. Um den vielfältigen Anforderungen ziviler Anwendungen gerecht zu werden, wie z. B. Geräten mit unterschiedlich gekrümmten Oberflächen und Kleidung für unterschiedliche Arbeitsumgebungen, müssen EMW-Absorber nicht nur eine effektive Absorption bieten, sondern auch leicht, einfach zu verarbeiten und ausreichend flexibel sein.

Darüber hinaus stehen EMW-Absorptionsmaterialien unter extremen Bedingungen vor Herausforderungen, die häufig in der Bau- und Transportindustrie auftreten, einschließlich hoher Temperaturen, häufiger Vibrationen und Druckstößen.

Daher stellt die Erforschung von Materialien mit außergewöhnlicher Wärmedämmung, erheblicher Flexibilität und Belastbarkeit, hervorragender Verarbeitbarkeit und ultraleichten Eigenschaften einen Trend bei der Entwicklung fortschrittlicher Mikrowellenabsorber dar. Polymerbasierte Keramik (PDC) SiOC weist eine robuste mechanische Leistung und Hochtemperaturleistung in extremen Umgebungen auf, kombiniert mit geringer Dichte, hoher Festigkeit und niedrigen Rohstoffkosten, was sein Potenzial für Anwendungen sowohl beim Schutz vor thermischen als auch elektromagnetischen Wellen (EMW) unterstreicht .

SiOC-Keramiken, die aus einem einzigen Vorläuferpolymer hergestellt werden, weisen jedoch geringe dielektrische Eigenschaften auf, was ihre weiteren Anwendungen einschränkt. Um die EMW-Dämpfungsleistung zu verbessern, ist es üblich, eine zweite Phase in die SiOC-Matrix einzuführen und dabei die Vorteile verschiedener Komponenten zu nutzen, um die EMW-Absorption zu verbessern.

Andererseits erschwert die inhärente Sprödigkeit von SiOC-Keramiken ihren Einsatz in komplexen Umgebungen erheblich. In diesem Fall ist Elektrospinnen eine vielseitige Methode zur Herstellung eindimensionaler Mikronanofasermaterialien mit gleichmäßiger Größenverteilung und konsistenter Morphologie. Mit dem Ziel, sowohl die Flexibilität als auch die EMW-Absorptionsleistung zu verbessern, hat ein Forschungsteam die Strategie der Mehrphasenzusammensetzung und des Elektrospinnens angewendet, um SiOC-Nanofasern herzustellen.

Das Team veröffentlicht ihre Arbeit in der Zeitschrift für Hochleistungskeramik am 9. September 2024.

Co- und TiO2-modifizierte SiOC-Nanofasern (CTS) wurden mithilfe einer einfachen und kontrollierbaren Elektrospinntechnik erfolgreich hergestellt. Dank der hervorragenden dreidimensionalen kontinuierlichen Netzwerkstruktur, die durch Elektrospinnen entsteht, und der gleichmäßigen Verteilung der Verbundmaterialien innerhalb der Fasern weisen CTS-Verbundwerkstoffe eine hervorragende Wärmeisolierung (Wärmeleitfähigkeit -1K-1) und eine bemerkenswerte Flexibilität (Widerstandsänderung von weniger als 4 % nach 1.500 °C) auf Zyklen von 180°-Biegung) und beeindruckender Druckfestigkeit (Restdehnung).

Die CTS-800-Probe (Silikonharz) mit einem Füllstoffgehalt von nur 5 Gew.-% erreicht eine effektive Absorptionsbandbreite (EAB) von 8,64 GHz (9,36–18,00 GHz) bei einer Dicke von 3,25 mm, mit einem RLmin-Wert von -66,00 dB bei 17,11 GHz. Die erfolgreiche Herstellung solcher multifunktionalen CTS-Nanofasermaterialien macht sie vielversprechend für die Anwendung von Wärme- und Mikrowellenschutz.

Die SiOC-Nanofaserprobe weist aufgrund ihrer hohen Porosität und mehrschichtigen Struktur entlang der Dicke umfassende multifunktionale Eigenschaften auf. EMW oder Thermoschockwellen von außen können deutlich gedämpft werden. Darüber hinaus stellt die herausragende Flexibilität sicher, dass diese Erkenntnisse die in verschiedenen Szenarien mit hoher Nachfrage erforderlichen Verformungen perfekt bewältigen können, wodurch die Arbeitseffizienz gesteigert wird.