Composite céramique transparent hautement électromagnétique composé de nanotubes de nitrure de bore et d'oxynitrure de silicium via une méthode d'infiltration au perhydropolysilazane

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14374 (2022) Citer cet article

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Avec le développement rapide des dispositifs de circuits à ondes électromagnétiques (EM), les matériaux transparents aux ondes hautes performances et dotés de diverses fonctions ont attiré une grande attention. Le matériau céramique est un candidat prometteur pour être appliqué dans des environnements difficiles en raison de sa résistance aux produits chimiques et à la corrosion. Dans ce travail, une voie dérivée du polymère a été adoptée pour synthétiser un composite céramique à température ambiante. Le composite est constitué de céramique SiON dérivée du perhydropolysilazane et renforcé de feuilles de nanotubes de nitrure de bore (BNNT). Avec l'ajout de matériaux céramiques SiON, l'échantillon résultant a montré une excellente hydrophobie avec un angle de contact de 135 à 146,9°. Plus important encore, une stabilité thermique supérieure à 1 600 °C dans une atmosphère contenant de l’oxygène a été observée pour l’échantillon de SiON/BNNT fabriqué, sans aucun changement de forme. La transparence électromagnétique des SiON/BNNT a été étudiée par la méthode du guide d'onde. L'échantillon SiON/BNNT préparé a une permittivité réelle moyenne comprise entre 1,52 et 1,55 et une valeur tangente de perte moyenne comprise entre 0,0074 et 0,0266, dans la plage de fréquences comprise entre 26,5 et 40 GHz. L'effet de l'épaisseur sur la transparence des ondes des échantillons de SiON/BNNT est également discuté. Pour résumer les résultats supérieurs de caractérisation et de mesure susmentionnés, le système de matériaux SiON/BNNT présenté présente un grand potentiel pour être utilisé comme matériaux transparents EM dans des conditions difficiles.

Les matériaux transparents aux ondes ont attiré une attention particulière au cours des dernières décennies, car ce type de matériau revêt une importance vitale pour la fabrication des boîtiers d'antenne et pour protéger le système d'antenne radar du milieu environnant1. En général, les matériaux qualifiés transparents aux ondes possèdent deux caractéristiques, une faible permittivité diélectrique (ε < 4) et une tangente à faible perte (tanδ : 10−2–10−3)2,3, pour réduire la consommation d'énergie. Les matériaux polymères et céramiques transparents aux ondes sont deux catégories principales largement utilisées dans les systèmes radio des avions hypersoniques, des véhicules de rentrée, des missiles à grande vitesse et d’autres dispositifs similaires4,5. Par rapport aux composites polymères, les matériaux céramiques transparents aux ondes2,6 présentent des avantages uniques supplémentaires avec des points de fusion élevés, une résistance à l'abrasion, une résistance à la corrosion atmosphérique et une plus grande stabilité dans les environnements difficiles. Par exemple, le sulfure de zinc (ZnS)7 est l'un des matériaux de fenêtre d'antenne infrarouge à ondes longues les plus courants depuis les années 1960, et ses excellentes performances en termes de propriétés mécaniques/thermiques/de fabrication ont été largement étudiées par d'autres. Cependant, les exigences sévères du milieu de travail et l'exigence de réduction de poids ont poussé l'attention vers un domaine difficile de performances légères et transparentes aux ondes, qui englobe les caractéristiques souhaitables des polymères et de la céramique.

Les nanotubes de nitrure de bore (BNNT) sont des cylindres avec des diamètres inférieurs au micromètre et des longueurs micrométriques. Ils possèdent des propriétés attrayantes présentées par la combinaison d’une faible constante diélectrique et d’un module d’élasticité élevé8,9,10. Les BNNT ont été utilisés comme type de matériau de renforcement pour fabriquer des composites céramiques présentant une conductivité thermique et une constante diélectrique exceptionnelles11,12. Les BNNT sont un matériau diélectrique à faible k avec une constante diélectrique relative allant de 1,0 à 1,1 (50 Hz à 2 MHz)8, et ils sont prometteurs pour les applications mécaniques en raison de leur module élevé. Par exemple, les BNNT auraient un excellent module d'Young (estimé jusqu'à 1,22 ± 0,24 TPa)13, variant en fonction du diamètre et de l'épaisseur des nanotubes14. Ainsi, les BNNT peuvent être un candidat potentiel pour une utilisation dans des applications transparentes aux ondes à haute température en raison de leur faible constante diélectrique et de leur faible tangente de perte, de leur excellente structure ultra-légère et de leur point de fusion élevé. Cependant, sur la base des applications potentielles des matériaux transparents aux ondes dans les missiles à grande vitesse, la conductivité thermique remarquablement élevée (21,39 W/mK à 25 % en poids de BNNT)15 pourrait limiter son applicabilité dans ce domaine. La vitrocéramique16, un nouveau matériau solide polycristallin, est constituée de phases microcristallines et amorphes, et elle a également suscité un intérêt accru récemment. L'oxynitrure de silicium (SiON) appartient à la famille des vitrocéramiques, et sa conductivité thermique ultra-faible (1,1 à 1,4 W/mK) et sa constante diélectrique relative (3,7 à 3,9)17 peuvent compenser les défauts que possèdent les BNNT. Plus précisément, les BNNT recouverts de SiON peuvent constituer la base de nouveaux matériaux et processus révolutionnaires, et ce nouveau composite mentionné en premier jettera un peu de lumière sur les matériaux transparents aux ondes.