ペルヒドロポリシラザン浸透法による窒化ホウ素ナノチューブと酸窒化ケイ素からなる高電磁透過性セラミック複合材料

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14374 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

電磁波回路デバイスの急速な発展に伴い、さまざまな機能を備えた高性能電波透過材料が注目を集めています。 セラミック材料は、耐薬品性と耐腐食性があるため、過酷な環境に適用される有望な候補です。 この研究では、室温でセラミック複合材料を合成するためにポリマー由来のルートが採用されました。 この複合材料はペルヒドロポリシラザン由来の SiON セラミックでできており、窒化ホウ素ナノチューブ (BNNT) シートで強化されています。 SiON セラミック材料を添加すると、得られたサンプルは接触角 135 ～ 146.9°の優れた疎水性を示しました。 さらに重要なことは、製造された SiON/BNNT サンプルでは、​​酸素含有雰囲気中 1600 °C で、形状の変化がなく、優れた熱安定性が観察されたことです。 SiON/BNNT の電磁透過性を導波路法によって研究しました。 準備された SiON/BNNT サンプルは、26.5 ～ 40 GHz の周波数範囲で、平均実誘電率が 1.52 ～ 1.55、平均損失正接値が 0.0074 ～ 0.0266 の範囲にあります。 SiON/BNNT サンプルの波の透過性に及ぼす厚さの影響についても議論します。 前述の優れた特性評価と測定結果を要約すると、提示された SiON/BNNT 材料システムは、過酷な条件下で EM 透明材料として使用できる大きな可能性を持っています。

波を透過する材料は、アンテナ ハウジングの製造や周囲の媒体からレーダー アンテナ システムを保護するために非常に重要であるため、過去数十年にわたって最も注目を集めてきました。 一般に、認定された電波透過性材料は、エネルギー消費を削減するために、低い誘電率 (ε < 4) と低い損失正接 (tanδ: 10−2 ～ 10−3) という 2 つの特性を備えています2,3。 波を透過するポリマーとセラミック材料は、極超音速航空機、大気圏再突入体、高速ミサイル、およびその他の同様の装置の無線システムで広く使用されている 2 つの主要なカテゴリです 4,5。 ポリマー複合材料と比較して、波透過性セラミック材料 2,6 には、高融点、耐摩耗性、耐大気腐食性、過酷な環境での安定性といった独自の利点があります。 たとえば、硫化亜鉛 (ZnS)7 は 1960 年代以来最も一般的な長波赤外線アンテナ窓材料の 1 つであり、その機械的/熱的/製造的特性における優れた性能は他の研究者によって広く研究されてきました。 しかし、過酷な現場からの厳しい要求と軽量化の要件により、焦点は、ポリマーとセラミックの両方の望ましい特性を網羅する、軽量で波を透過する性能という挑戦的な領域に押し込まれました。

窒化ホウ素ナノチューブ (BNNT) は、直径がサブマイクロメートル、長さがマイクロメートルの円柱です。 これらは、低い誘電率と高い弾性率の組み合わせによって示される魅力的な特性を備えています8、9、10。 BNNT は、優れた熱伝導率と誘電率を備えたセラミック複合材料を製造するための一種の強化材料として適用されています 11,12。 BNNT は、比誘電率が 1.0 ～ 1.1 (50 Hz ～ 2 MHz)8 の範囲の low-k 誘電体材料であり、弾性率が高いため機械用途に有望です。 例えば、BNNT は、ナノチューブの直径と厚さによって異なりますが、優れたヤング率 (最大 1.22 ± 0.24 TPa と推定) を有すると報告されています 13。 したがって、BNNT は、その低い誘電率と損失正接、優れた超軽量構造、および高い融点により、高温波透過用途での使用の潜在的な候補となり得ます。 しかし、波を透過する材料の高速ミサイルへの応用の可能性に基づくと、著しく高い熱伝導率（25 wt% BNNT で 21.39 W/mK）15 により、この分野でのさらなる応用は制限される可能性があります。 ガラスセラミック 16 は、微結晶相と非晶質相から構成される新しい多結晶固体材料であり、最近注目が高まっています。 酸窒化シリコン (SiON) はガラスセラミック族に属し、その超低い熱伝導率 (1.1 ～ 1.4 W/mK) と比誘電率 (3.7 ～ 3.9) 17 により、BNNT が持つ欠点を補うことができる可能性があります。 具体的には、SiON コーティングされた BNNT は革新的な新しい材料とプロセスの基礎となる可能性があり、最初に言及したこの新しい複合材料は波を透過する材料に光を当てるでしょう。