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研究进展
刘忠范院士团队Adv Fiber Mater | 化学气相沉积法制备连续蒙烯碳化硅纤维：结构功能一体化，承载吸波潜力大！
日期：
2026-01-19 17:42
成果简介
隐形技术迫切需求一种先进雷达波吸收材料，其能够在极端环境下同时提供优异的机械稳定性和强电磁损耗特性。尽管碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料能够替代高温合金，但国内商业化碳化硅纤维仍面临关键瓶颈：纤维难以实现高机械强度与高电磁波损耗兼容。
近期，北京大学/北京石墨烯研究院刘忠范院士，北京石墨烯研究院宋雨晴研究员、孙晓莉特聘研究员，江南大学张典堂教授等在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Fabrication of Graphene-skinned SiC Fiber Materials toward Dielectric-gradient Ceramic Matrix Composites for Efficient Electromagnetic Absorption”的研究成果。该工作提出的蒙烯碳化硅纤维（Gr-SiCf）通过化学气相沉积法制备，由石墨烯层、二氧化硅非晶层和碳化硅纤维基底组成，其具有低成本、高稳定性、高机械强度、宽幅电导率可调（0.03~1150 S·m-1）等优点，以高、中、低电阻率纤维增强结构模拟设计的介电梯度结构复材，总厚度3.5 mm时有效吸波带宽达4.30 GHz，反射损耗值小于–5 dB时吸波带宽达13.41 GHz，在高温吸波材料领域潜力巨大。
图文导读
该工作通过退浆-生长一体化工艺制备了连续蒙烯碳化硅纤维，其中，退浆工艺采用热空气氧化法，石墨烯生长工艺采用以甲烷为碳源的常压化学沉积技术，如图1。
图1 蒙烯碳化硅纤维与织物制备流程示意图
退浆工艺在去除上浆剂的同时，会导致纤维表面氧化改性。碳化硅纤维表面原位生成的二氧化硅非晶层不仅能够提高纤维电阻率，有利于实现蒙烯碳化硅纤维更宽幅的电导率调控，而且能够有效抑制外部环境氧的侵蚀。此外，CVD系统高温生长过程会使得表面二氧化硅层熔融，纤维表面粗糙度下降，为石墨烯的生长提供有利条件，如图2。石墨烯蒙皮厚度可通过沉积时间灵活调控，以实现复合纤维电导率的调节。
图2 蒙烯碳化硅纤维结构与组成表征
蒙烯碳化硅纤维电导率可实现0.03~1150 S·m-1灵活调控，且其机械强度受生长工艺损耗较小。相较于碳化硅纤维高温热解制备的石墨烯层，以及CVD生长的无定形碳涂层，CVD生长的石墨烯蒙皮具有良好的机械、化学、热稳定性，如图3。这是因为CVD生长的石墨烯结晶度高，与衬底结合力强。这一特点为蒙烯碳化硅纤维的上浆、编织等后续操作提供了坚实的基础。
图3 蒙烯碳化硅纤维与其他纤维性能表征与对比
将选定的高、中、低阻蒙烯碳化硅纤维通过0°/90°平纹编织，得到了三种不同面电阻的蒙烯碳化硅纤维织物。从SEM图可以看出纤维布编织结构整齐，石墨烯蒙皮与纤维衬底结合效果良好，无明显涂层剥离、脱落。面电阻与拉曼测试结果共同证明了蒙烯碳化硅纤维织物的均匀性，以及石墨烯蒙皮的稳定性，如图4。这保证了织物后续的可加工性，为其实现工程化应用提供了有利条件。
图4 蒙烯碳化硅纤维织物结构与性质表征
高、中、低阻蒙烯碳化硅纤维布预制体通过CVI法沉积氮化硼界面层，随后通过PIP工艺制备得到三类陶瓷基复合材料。相比于未经结构设计的单一介电复材（SiCf/SiC），高、中、低阻蒙烯碳化硅增强的碳化硅基复材（Gr-SiCf/SiC with HVR, MVR, and LVR）实现了介电性能梯度分布，电磁波响应特性使其可分别充当阻抗匹配层、吸波层、反射层，如图5。
图5 纤维增强陶瓷基复材结构与电磁性质表征
以高、中、低阻三类复材为基元，通过模拟设计了3.5 mm厚的具有介电梯度结构的复材。复材最优结构为匹配层1.5 mm，吸波层0.2 mm，反射层1.8 mm。凭借良好的阻抗匹配特性，以及极化损耗、电导损耗、多级反射机理，介电梯度结构复材有效吸波带宽达4.30 GHz（5.57~6.84 GHz & 13.32~16.35 GHz），反射损耗值小于−5 dB时，吸波带宽达13.41 GHz，如图6。
图6 介电梯度结构复材的模拟设计及其吸波效果与机理
小结
综上所述，我们通过CVD工艺制备了连续的蒙烯碳化硅纤维，并实现了其电阻率宽幅可调。以高、中、低阻纤维为增强纤维制备的复材介电性能梯度分布，可充当匹配层、吸波层、反射层。模拟设计的复材，在较薄厚度下吸波性能优异。且进一步细分、优化介电梯度结构以实现更宽频带吸波是可能的。蒙烯碳化硅纤维增强的陶瓷基复合材料实现了低成本、高机械强度、宽频吸波兼容，为航空航天材料等领域提供了全新的思路，具有极大的应用潜力。
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