Compósito cerâmico transparente altamente eletromagnético feito de nanotubos de nitreto de boro e oxinitreto de silício via método de infiltração de perihidropolissilazano

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14374 (2022) Citar este artigo

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Com o rápido desenvolvimento de dispositivos de circuito de onda eletromagnética (EM), materiais transparentes de onda de alto desempenho com várias funções têm atraído grande atenção. O material cerâmico é um candidato promissor para ser aplicado em ambientes hostis devido à sua resistência química e à corrosão. Neste trabalho, uma rota derivada de polímero foi adotada para sintetizar compósitos cerâmicos à temperatura ambiente. O compósito é feito de cerâmica SiON derivada de peri-hidropolissilazano e reforçado com folhas de nanotubos de nitreto de boro (BNNTs). Com a adição de materiais cerâmicos SiON, a amostra resultante mostrou uma excelente hidrofobicidade com um ângulo de contato de 135–146,9°. Mais importante ainda, estabilidade térmica superior a 1600 °C na atmosfera contendo oxigênio foi observada para a amostra fabricada de SiON/BNNTs, sem qualquer alteração de forma. A transparência eletromagnética dos SiON/BNNTs foi estudada através do método de guia de onda. 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 da onda 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 atraíram atenção especial nas últimas décadas, pois esse tipo de material é de vital importância para a fabricação de caixas de antena e para proteger o sistema de antena de radar do meio circundante1. Em geral, materiais transparentes a 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 a 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 semelhantes4,5. Em comparação com os 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, Sulfeto de Zinco (ZnS)7 é um dos materiais de janela de antena infravermelha de ondas longas mais comuns desde a década de 1960, e seus excelentes desempenhos em propriedades mecânicas/térmicas/de fabricação foram extensivamente investigados por outros. No entanto, as duras demandas do local de trabalho severo e a exigência de redução de peso levaram o ponto focal a uma área desafiadora de desempenho leve e transparente de onda, que abrange as características desejáveis ​​de polímeros e cerâmicas.

Os nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) são cilindros com diâmetros submicrômetros e comprimentos micrométricos. Possuem propriedades atraentes 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 fazer compósitos cerâmicos com excepcional condutividade térmica e constante dielétrica11,12. Os BNNTs são um material dielétrico de baixo k com uma 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 teriam um excelente módulo de Young (estimado em até 1,22 ± 0,24 TPa)13, variando no diâmetro e na espessura do nanotubo14. Assim, BNNTs podem ser um potencial candidato para uso em aplicações de transparência de onda de alta temperatura por causa de 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 a ondas em mísseis de alta velocidade, a notavelmente alta condutividade térmica (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 feito de fases microcristalinas e amorfas, e também recebeu interesse crescente recentemente. O oxinitreto de silício (SiON) pertence à família 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 a ondas.