Керамика на основе кремнезема широко исследовалась как класс универсальных материалов для различных применений в архитектуре, катализе, энергетике, машиностроении и биомедицинской инженерии. Тем не менее исчерпывающая информация о поглощении керамикой на основе кремнезема и электромагнитных микроволн (ЭМВ) недостаточна, хотя в этой области был достигнут значительный прогресс. Здесь рассматривается недавний прогресс в исследовании керамики на основе кремнезема в отношении поглощения ЭМВ. Мы впервые представили основы керамики (характеристики, классификация, методы синтеза, возможные применения). Впоследствии были систематически обобщены керамика на основе кремнезема, включая оксиды и сплавы на основе Si, композит на основе SiOC/SiC/Si3N4/SiCN, Ti3SiC2 и композит для поглощения ЭМВ. Примечательно, что стратегии изготовления, поглощающие свойства и механизмы керамики на основе кремнезема подробно описаны с акцентом на структуру и дизайн компонентов. Наконец, представлены перспективы и текущие проблемы в этой области в будущем. Ожидается, что в этом обзоре будут извлечены уроки из прошлого и достигнут прогресс в отношении будущего керамики на основе диоксида кремния для поглощения ЭМВ.
Введение
Все более жесткая международная военная конкуренция способствовала быстрому развитию различного высокотехнологичного военного вооружения и техники, особенно истребителей-невидимок и беспилотных летательных аппаратов, что также выдвигает новые перспективы в разработке и исследовании соответствующих электромагнитных микроволновых (ЭМВ) поглощающих и экранирующие материалы [1–4]. Между тем продвижение 5G ускоряет цифровую трансформацию и модернизацию продуктов, что делает помехи сопутствующего цифрового оборудования более серьезными, а испускаемое электромагнитное излучение также наносит больший вред здоровью человека [5–8]. Поэтому решение проблем радиопомех, опасности электромагнитного излучения и малозаметности истребителя является привлекательной и сложной темой. В конце концов, различные типы материалов, поглощающих и экранирующих электромагнитное микроволновое излучение (ЭМВ), в том числе материалы на основе углерода (УНТ, графен, углеродное волокно, графитированный углерод, полимер) [9–12], соединения металлов (оксид, сульфид, нитрид, карбид) [13–16], металлоорганический каркас (MOF) [17–19], MXene [20–23] и композиционные материалы [24–27] были разработаны для обеспечения значительных характеристик поглощения ЭМВ с высокими потерями на отражение (RL), широкая эффективная полоса поглощения (RL <-10 дБ), малая толщина и низкая плотность.

Как правило, материалы, поглощающие ЭМВ, в основном используют магнитные потери, диэлектрические потери (особенно поляризацию, такую как электронная поляризация и поляризация интерфейса) и другие механизмы для достижения способности поглощения ЭМВ [28,29]. Хотя ранее разработанные материалы, поглощающие ЭМВ, добились значительного прогресса в области магнитных или диэлектрических потерь, их относительно высокая плотность, низкие потери на отражение и узкая эффективная полоса поглощения ограничивали широту их применения, скорость и масштабы развития производства [30, 31]. Среди них керамические материалы, особенно керамика на основе кремнезема, привлекли значительное внимание в области поглощения ЭМВ благодаря преимуществам высокой термической и химической стабильности, значительной механической прочности и твердости, низкой цене, большим запасам и крупномасштабной подготовке [32]. –35]. Однако массовое применение керамических поглотителей ЭМВ на основе кремнезема сдерживается преимущественно их большим весом, плотной структурой и высокой температурой термообработки. Поэтому разработка и исследование высокоэффективных керамических поглотителей ЭМВ на основе диоксида кремния является важной задачей. Некоторые из этих исследований основаны на уникально разработанных новых наноструктурах, которые дают им возможность многократно рассеивать и отражать электромагнитные волны и увеличивать путь передачи электромагнитных волн [36-39]. Другие исследования основаны на разработке компонентов для получения материалов с хорошим соответствием импеданса между магнитными потерями и диэлектрическими потерями [40–44]. Тем не менее, исчерпывающая информация, включая стратегии изготовления, характеристики поглощения ЭМВ и механизмы поглощения ЭМВ керамикой на основе кремнезема в области поглощения ЭМВ, недостаточна, хотя в этой области был достигнут такой значительный прогресс. Хотя керамика на основе диоксида кремния, применяемая для поглощения ЭМВ, изучалась в течение многих лет, растущие исследования в этой области показали уникальные преимущества керамики на основе диоксида кремния в качестве материалов, поглощающих ЭМВ, открыв новую главу между керамикой на основе диоксида кремния и поглощением ЭМВ. Этот своевременный обзор призван дать читателям глубокое представление о разработке керамики на основе кремнезема для поглощения ЭМВ. В этом обзоре мы кратко представим определение и характеристики, классификацию, методы синтеза и потенциальное применение керамики, обобщим керамические материалы на основе кремнезема, используемые для поглощения ЭМВ, и выделим их стратегии изготовления, свойства поглощения ЭМВ и соответствующее поглощение ЭМВ. механизмы. Наконец, представлены перспективы на будущее и наши точки зрения на эту тему исследования. Мы надеемся, что наша работа может способствовать развитию керамики на основе кремнезема в области поглощения ЭМВ для достижения более значительных прорывов.
………………
Резюме и перспективы
В этом обзоре мы обобщили недавний процесс в принципах проектирования и стратегиях керамики на основе кремнезема в отношении поглощения ЭМВ с точки зрения структуры и дизайна компонентов, а также представили механизм межфазной поляризации, дипольной поляризации, потери проводимости, вихревых токов. потери тока, естественный резонанс и многократное отражение/рассеяние для различных поглотителей ЭМВ. Регулируя тип элемента, соотношение и структуру второго/третьего компонента (диэлектрического материала) в керамике на основе кремнезема (SiO2, SiOC, SiC, SiCN, Si3N4), можно добиться термической стабильности, а также стойкости к окислению композита могут быть улучшены, а рабочий диапазон может быть расширен, особенно в высокотемпературных средах. Кроме того, диэлектрический компонент может регулировать диэлектрические свойства и диэлектрические потери для получения хорошего согласования импеданса с магнитными потерями, обеспечивая значительные потери на отражение. В дополнение к дизайну компонентов в керамике на основе диоксида кремния, структурный дизайн, такой как создание новых наноструктур (например, пористых, полых, сердцевина-оболочка, многослойных и иерархических), чтобы наделить их возможностями рассеяния и многократного отражения и улучшить путь передачи электромагнитные волны также могут улучшить свойства поглощения ЭМВ керамики на основе кремнезема. Кроме того, создание многослойной керамики на основе диоксида кремния может дать более поразительные результаты, поскольку потенциально может привести к поляризации заряда и межфазной поляризации с соответствующей релаксацией и улучшить общие свойства поглощения ЭМВ. Путем изучения влияния различных условий на компонент и структуру керамики на основе кремнезема были выявлены магнитные и диэлектрические потери в идеальных условиях реакции, что привело к глубокому пониманию механизма поглощения ЭМВ. Полностью раскрыть эти принципы и механизмы проектирования и дать исследователям подсказки для создания высокоэффективных поглотителей ЭМВ на основе керамики на основе кремнезема. Несмотря на значительные достижения в разработке высокоэффективных поглотителей ЭМВ из керамики на основе диоксида кремния, все еще остается много основных открытых вопросов и препятствий, которые необходимо преодолеть в следующих аспектах.

(1)	В практическом применении плотность, толщина и стоимость поглотителей EMW являются важными показателями, позволяющими судить о возможности применения поглотителей [301–304]. Однако структура керамических материалов плотная и имеет большой вес. В настоящее время многие керамики на основе диоксида кремния перерабатываются в наноструктуры (нанокристаллы, наносферы, нановолокна, нанопроволоки, нанотрубки, нанолисты, 3D-пены) для увеличения удельной поверхности и пути передачи электромагнитных волн [305–311], тем самым обеспечивая легкий вес. и высокие характеристики потерь на отражение. Между тем, высокая температура спекания и длительное время спекания керамических материалов делают подготовку очень высокой. В последнее время некоторые методы быстрого нагрева (жидкофазное спекание, спекание с быстрым обжигом) и современные методы спекания (технология спекания в полевых условиях, спекание под давлением, спекание с регулируемой температурой) получили дальнейшее развитие, чтобы способствовать уплотнению роста зерен [78–82]. Следовательно, температура и время спекания могут быть значительно снижены, так что потребление энергии будет относительно низким. Это может быть эффективным способом быстрого создания обновленных промышленных поглотителей ЭМВ. (2) Исследование теоретических моделей керамики на основе кремнезема необходимо для выявления взаимосвязи между структурой и характеристиками. Несмотря на то, что исследования механизма поглощения ЭМВ в некоторых моделях керамики на основе кремнезема были очень зрелыми, для разработки эффективных стратегий для поддерживать оптимальное состояние поглощения ЭМВ. Например, в постоянно меняющейся температурной среде структура керамических материалов также может меняться, а также меняться характеристики поглощения ЭМВ, но в этом отношении по-прежнему не хватает методов тестирования на месте. Кроме того, точная настройка структуры и состава, а также реакционной системы (температура, время, значение pH, атмосфера) являются критическими факторами для точного достижения высокоэффективных характеристик поглощения ЭМВ. Наконец, необходимо изучить инструментальную (специальная камера in-situ, высокое временное разрешение для быстрого тестирования) и экспериментальную часть оперативного исследования с помощью методов FTIR, Raman, XRD или XAFS. (3) Еще одна проблема, связанная с керамическим поглотителем ЭМВ на основе кремнезема, возникает при исследовании механизма, которое не является исчерпывающим. Несмотря на то, что многослойные или иерархические наноструктуры керамики на основе кремнезема или их комбинации с диэлектрическими материалами продемонстрировали благоприятное воздействие на создание множественных отражений и улучшение согласования импедансов [314–317], внутренние механизмы остаются неясными. Каково идеальное число слоев или диапазон размеров пор керамики на основе кремнезема для поглощения ЭМВ? Как это влияет на многократное отражение и рассеяние? Различные теоретические расчеты (такие как DFT, Ansys) и эксперименты (такие как in-situ FTIR, Raman, TEM) используются для определения активных центров в катализе [318–322]. Эти передовые методы также должны быть точно применены к области поглощения ЭМВ для дальнейшего определения механизма поглощения ЭМВ. (4) Наконец, как упоминалось выше, разработанные поглотители EMW должны соответствовать таким характеристикам, как малый вес (малая толщина), широкая эффективная ширина поглощения и высокие потери на отражение. Можно ожидать, что конструкция сверхтонкой толщины (10 ГГц, RL
Резюме новых выводов
Тем не менее исчерпывающая информация о керамических материалах на основе кремния и материалах, поглощающих электромагнитные микроволны (ЭМВ), недостаточна, хотя в этой области достигнут значительный прогресс. В этом обзоре мы обобщили недавний процесс в принципах проектирования и стратегиях керамики на основе кремнезема в отношении поглощения ЭМВ с точки зрения структуры и дизайна компонентов, а также представили механизм межфазной поляризации, дипольной поляризации, потери проводимости, вихревых токов. потери тока, естественный резонанс и многократное отражение/рассеяние для различных поглотителей ЭМВ. Регулируя тип элемента, соотношение и структуру второго/третьего компонента (диэлектрического материала) в керамике на основе кремнезема (SiO2, SiOC, SiC, SiCN, Si3N4), термическую стабильность, а также стойкость к окислению композита, могут быть улучшены, а рабочий диапазон может быть расширен, особенно в высокотемпературных средах. Кроме того, диэлектрический компонент может регулировать диэлектрические свойства и диэлектрические потери для получения хорошего согласования импеданса с магнитными потерями, обеспечивая значительные потери на отражение. В дополнение к дизайну компонентов в керамике на основе диоксида кремния, структурный дизайн, такой как создание новых наноструктур (например, пористых, полых, сердцевина-оболочка, многослойных и иерархических), чтобы наделить их возможностями рассеяния и многократного отражения и улучшить путь передачи электромагнитные волны также могут улучшить свойства поглощения ЭМВ керамики на основе кремнезема. Кроме того, создание многослойной керамики на основе кремнезема может привести к большему количеству поразительные результаты, потому что это потенциально может привести к поляризации заряда и межфазной поляризации с соответствующей релаксацией и улучшить общие свойства поглощения ЭМВ. Путем изучения влияния различных условий на компонент и структуру керамики на основе кремнезема были выявлены магнитные и диэлектрические потери в идеальных условиях реакции, что привело к глубокому пониманию механизма поглощения ЭМВ. Полностью раскрыть эти принципы и механизмы проектирования и дать исследователям подсказки для создания высокоэффективных поглотителей ЭМВ на основе керамики на основе кремнезема.