Composito ceramico trasparente altamente elettromagnetico costituito da nanotubi di nitruro di boro e ossinitruro di silicio tramite metodo di infiltrazione di peridropolisilazano

May 16, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14374 (2022) Citare questo articolo

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Con il rapido sviluppo dei dispositivi circuitali a onde elettromagnetiche (EM), i materiali trasparenti alle onde ad alte prestazioni con varie funzioni hanno attirato grande attenzione. Il materiale ceramico è un candidato promettente per l'applicazione in ambienti difficili grazie alla sua resistenza chimica e alla corrosione. In questo lavoro è stata adottata una via derivata dai polimeri per sintetizzare il composito ceramico a temperatura ambiente. Il composito è costituito da ceramica SiON derivata dal peridropolisilazano e rinforzato con fogli di nanotubi di nitruro di boro (BNNT). Con l'aggiunta di materiali ceramici SiON, il campione risultante ha mostrato un'eccellente idrofobicità con un angolo di contatto di 135–146,9°. Ancora più importante, è stata osservata una stabilità termica superiore a 1600 °C nell'atmosfera contenente ossigeno per il campione fabbricato di SiON/BNNT, senza alcun cambiamento di forma. La trasparenza elettromagnetica dei SiON/BNNT è stata studiata attraverso il metodo della guida d'onda. Il campione SiON/BNNT preparato ha una permettività reale media compresa tra 1,52 e 1,55 e un valore medio della tangente di perdita compreso tra 0,0074 e 0,0266, nell'intervallo di frequenza compreso tra 26,5 e 40 GHz. Viene inoltre discusso l'effetto dello spessore sulla trasparenza delle onde dei campioni di SiON/BNNT. Per riassumere i suddetti risultati superiori di caratterizzazione e misurazione, il sistema di materiali SiON/BNNT presentato ha un grande potenziale per essere utilizzato come materiali trasparenti EM in condizioni difficili.

I materiali trasparenti alle onde hanno attirato l'attenzione negli ultimi decenni poiché questo tipo di materiale è di vitale importanza per la produzione di alloggiamenti per antenne e per proteggere il sistema di antenne radar dal mezzo circostante1. In generale, i materiali qualificati trasparenti alle onde possiedono due caratteristiche, bassa permettività dielettrica (ε < 4) e bassa perdita tangente (tanδ: 10−2–10−3)2,3, per ridurre il consumo di energia. I polimeri trasparenti alle onde e i materiali ceramici sono due categorie principali ampiamente utilizzate nei sistemi radio di aerei ipersonici, veicoli di rientro, missili ad alta velocità e altri dispositivi simili4,5. Rispetto ai compositi polimerici, i materiali ceramici ondulati trasparenti2,6 presentano ulteriori vantaggi unici con punti di fusione elevati, resistenza all'abrasione, resistenza alla corrosione atmosferica e maggiore stabilità in ambienti difficili. Ad esempio, il solfuro di zinco (ZnS)7 è uno dei materiali più comuni per finestre per antenne a infrarossi a onda lunga fin dagli anni '60, e le sue eccellenti prestazioni in termini di proprietà meccaniche/termiche/di produzione sono state ampiamente studiate da altri. Tuttavia, le dure esigenze del posto di lavoro severo e la necessità di ridurre il peso hanno spinto il punto focale in un’area stimolante di prestazioni leggere e trasparenti alle onde, che comprende le caratteristiche desiderabili sia dei polimeri che della ceramica.

I nanotubi di nitruro di boro (BNNT) sono cilindri con diametri submicrometrici e lunghezze micrometriche. Hanno proprietà attraenti evidenziate dalla combinazione di una bassa costante dielettrica e un elevato modulo di elasticità8,9,10. I BNNT sono stati applicati come un tipo di materiale di rinforzo per realizzare compositi ceramici con conduttività termica e costante dielettrica eccezionali11,12. I BNNT sono un materiale dielettrico a basso k con una costante dielettrica relativa compresa tra 1,0 e 1,1 (50 Hz–2 MHz)8 e sono promettenti per applicazioni meccaniche grazie all'alto modulo. Ad esempio, secondo quanto riferito, i BNNT hanno un eccellente modulo di Young (stimato fino a 1,22 ± 0,24 TPa)13, che varia in base al diametro e allo spessore del nanotubo14. Pertanto, i BNNT possono essere un potenziale candidato per l'uso in applicazioni trasparenti alle onde ad alta temperatura a causa della loro bassa costante dielettrica e tangente di perdita, eccellente struttura ultraleggera e alto punto di fusione. Tuttavia, sulla base delle potenziali applicazioni dei materiali trasparenti alle onde nei missili ad alta velocità, la conduttività termica notevolmente elevata (21,39 W/mK al 25% in peso di BNNT)15 può limitare la sua ulteriore applicabilità in questo campo. La vetroceramica16, un nuovo materiale solido policristallino, è costituito da fasi microcristalline e amorfe e recentemente ha ricevuto anch'esso un crescente interesse. L'ossinitruro di silicio (SiON) appartiene alla famiglia dei vetro-ceramici e la sua conduttività termica ultrabassa (1,1–1,4 W/mK) e la relativa costante dielettrica (3,7–3,9)17 possono compensare le carenze dei BNNT. Nello specifico, i BNNT rivestiti con SiON possono costituire la base per nuovi materiali e processi rivoluzionari, e questo nuovo composito menzionato per primo farà luce sui materiali trasparenti alle onde.