퍼히드로폴리실라잔 침투법을 통해 질화붕소 나노튜브와 산화질화규소로 구성된 고전자기 투명 세라믹 복합재

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14374(2022) 이 기사 인용

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전자파 회로 소자의 급속한 발전에 따라 다양한 기능을 갖춘 고성능 파투명 소재가 큰 주목을 받고 있다. 세라믹 소재는 내화학성 및 내식성으로 인해 열악한 환경에 적용할 수 있는 유망한 후보입니다. 본 연구에서는 실온에서 세라믹 복합재를 합성하기 위해 고분자 유래 경로를 채택했습니다. 이 복합재는 퍼히드로폴리실라잔 유래 SiON 세라믹으로 만들어졌으며 질화붕소 나노튜브(BNNT) 시트로 강화되었습니다. SiON 세라믹 소재를 첨가한 결과 샘플은 접촉각 135~146.9°에서 우수한 소수성을 나타냈습니다. 더 중요한 것은 제조된 SiON/BNNT 샘플의 경우 산소 함유 분위기에서 1600°C의 우수한 열 안정성이 모양 변화 없이 관찰되었다는 것입니다. SiON/BNNT의 전자기 투명도는 도파관 방법을 통해 연구되었습니다. 준비된 SiON/BNNT 샘플은 26.5~40GHz의 주파수 범위에서 1.52~1.55 사이의 평균 실수 유전율과 0.0074~0.0266 범위의 평균 손실 탄젠트 값을 갖습니다. SiON/BNNT 샘플의 파동 투명성에 대한 두께의 영향도 논의됩니다. 앞서 언급한 우수한 특성화 및 측정 결과를 요약하면, 제시된 SiON/BNNT 재료 시스템은 가혹한 조건에서 EM 투명 재료로 사용될 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

파동 투과 소재는 안테나 하우징 제조와 주변 매체로부터 레이더 안테나 시스템을 보호하는 데 매우 중요한 소재이기 때문에 지난 수십 년 동안 큰 주목을 받아왔습니다1. 일반적으로 검증된 파동 투명 재료는 에너지 소비를 줄이기 위해 낮은 유전율(ε < 4)과 낮은 손실 탄젠트(tanδ: 10−2–10−3)2,3라는 두 가지 특성을 가지고 있습니다. 파동 투과 폴리머 및 세라믹 재료는 극초음속 항공기, 재돌입체, 고속 미사일 및 기타 유사한 장치의 무선 시스템에 널리 사용되는 두 가지 주요 범주입니다. 고분자 복합재와 비교하여 파동 투과성 세라믹 재료2,6는 높은 융점, 내마모성, 대기 내식성 및 열악한 환경에서의 안정성과 같은 추가적인 고유한 이점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 황화아연(ZnS)7은 1960년대 이후 가장 일반적인 장파 적외선 안테나 창 재료 중 하나이며, 기계적/열적/제조 특성에서 우수한 성능이 다른 사람들에 의해 광범위하게 조사되었습니다. 그러나 가혹한 작업장에서의 가혹한 요구와 중량 감소에 대한 요구로 인해 폴리머와 세라믹 모두의 바람직한 특성을 포괄하는 경량 및 파동 투과 성능이라는 도전적인 영역에 초점이 맞춰졌습니다.

BNNT(질화붕소 나노튜브)는 마이크로미터 미만의 직경과 마이크로미터 길이의 원통형입니다. 그들은 낮은 유전 상수와 높은 탄성 계수의 조합으로 나타나는 매력적인 특성을 가지고 있습니다8,9,10. BNNT는 뛰어난 열 전도성과 유전 상수를 갖는 세라믹 복합재를 만들기 위한 강화 재료의 한 종류로 적용되었습니다. BNNT는 비유전율이 1.0~1.1(50Hz~2MHz)8 범위인 저유전율 유전체 재료이며, 높은 모듈러스로 인해 기계 응용 분야에 유망합니다. 예를 들어, BNNT는 나노튜브 직경과 두께에 따라 우수한 영률(최대 1.22 ± 0.24 TPa로 추정)13을 갖는 것으로 알려졌습니다. 따라서 BNNT는 낮은 유전 상수와 손실 탄젠트, 뛰어난 초경량 구조 및 높은 융점으로 인해 고온 파투명 응용 분야에 사용할 수 있는 잠재적인 후보가 될 수 있습니다. 그러나 고속 미사일에 파동 투과 재료를 적용할 수 있는 가능성을 고려할 때, 현저하게 높은 열 전도성(25wt% BNNT에서 21.39W/mK)15은 이 분야에서의 추가 적용 가능성을 제한할 수 있습니다. 새로운 다결정 고체재료인 Glass-ceramic16은 미세결정질과 비정질상으로 구성되어 있으며 최근에도 많은 관심을 받고 있습니다. 실리콘 산질화물(SiON)은 유리-세라믹 계열에 속하며 매우 낮은 열전도도(1.1~1.4W/mK)와 비유전율(3.7~3.9)17이 BNNT의 단점을 보완할 수 있습니다. 특히, SiON 코팅 BNNT는 혁신적인 신소재 및 공정의 기초가 될 수 있으며, 처음 언급된 이 새로운 복합재는 파동 투과성 소재에 대해 어느 정도 밝혀줄 것입니다.