基于静电纺丝制备一维纳米复合材料及其电磁波吸收性能研究
电子通讯技术的进步和各类电子产品的使用，极大丰富便捷了人们生活，同时也造成了日益严峻的电磁污染问题，电磁辐射不仅影响精密仪器使用，也危害着人们身体健康，因此，研究电磁波吸收材料对军工和民用的电磁防护具有举足轻重的作用。研究表明，高长径比和大比表面积的一维纳米纤维可用于制备吸波材料。通过对纤维表面修饰可达到多层次的几何效果，设计复杂的微观结构来影响电磁波吸收效果;纳米纤维还能将磁性金属、半导体材料和碳材料结合，克服阻抗匹配差、损耗机制相对单一的缺点，通过各组分比例调控，优化阻抗匹配水平，协同发挥多种损耗机制的作用，开发出吸波性能优良的复合材料。静电纺丝技术成本低、操作简单且可控性强，为设计具有一维长程结构的复合材料奠定了技术基础。本论文基于静电纺丝法，通过构建复杂微观结构和调配各组分比例，制备了一维的ZnO/Ni中空微管、ZnO/Ni/C和Gd2O3/C纳米复合纤维，表征了材料的本征性质和吸波性能，并探讨相应的吸波机理，主要研究结果如下:(1)采用静电纺丝法、水热法、高温煅烧和氢气还原法，成功制备出纳米片自组装的ZnO/Ni中空复合微管，研究了复杂微观结构的构建和磁性金属Ni的引入对电磁波吸收性能的影响。表征结果显示复合物是纳米片自组装的中空微管结构，直径在1.5μm，壁厚约400nm左右。Ni的引入，提高了复合物的磁性能和电导率。利用矢量网络分析仪(VNA)进行电磁性能测试，ZnO/Ni中空复合微管在厚度3.4mm、15.3GHz处最小反射损耗值(RL)为-71.2dB;匹配厚度为4.2mm时，最大有效吸波频宽(EAB≤-10dB)达9.4GHz(8.6-18.0 GHz)。提升的电磁波吸收性能源自于纳米片组装的中空微管的构建优化了阻抗匹配水平和Ni纳米颗粒的引入实现了磁损耗和介电损耗的协同。 (2)采用静电纺丝法和高温碳还原法成功制备出ZnO/Ni/C纳米复合纤维，将磁性金属与半导体、碳纤维复合，研究在三元复合物体系中磁性金属对形貌、磁性能和电磁波吸收性能的影响。研究结果表明:复合纤维直径约为250nm，ZnO和Ni纳米颗粒镶嵌在碳基纤维上。Ni的引入使材料的矫顽力有所提高，磁性能得到改善。随着磁性金属Ni含量的增加，电导率提高，增强了电导损耗，调节了介电常数大小，降低了阻抗匹配厚度，在10.2GHz时，厚度为3.9mm时，最小RL值为-66.5dB;在2.8mm处吸收带宽为5.9GHz(12.1 GHz-18.0 GHz)。 (3)除了磁性材料与介电材料的复合，将高介电金属氧化物与碳纤维复合，制备纯介电吸波材料也是可行性策略之一。在稀土金属氧化物中，氧化钆(Gd2O3)物理化学稳定性较好，但在吸波领域的报道较少。利用静电纺丝法和高温碳化法制备出了Gd2O3/C纳米复合纤维，探究Gd2O3的引入对微观形貌、吸波性能的影响。结果表明纤维直径为300nm左右，表面光滑。Gd2O3/C纳米复合纤维表现出轻质、宽频带和强吸收的电磁波吸收性能，当厚度为3.1mm时，在频率为11.6GHz处，最强吸收可达-67.5dB;当厚度为2.8mm时，吸收带宽达7.2GHz(10.8-18 GHz)。Gd2O3使碳基纤维形貌得以较好的保持，并有效提高了介电常数，增加了导电性，使电导损耗增强;优化了碳基材料的阻抗匹配水平，降低了匹配厚度。
静电纺丝;复合材料;电磁波吸收;阻抗匹配;微观结构
山东大学
硕士
材料物理与化学
刘久荣
2021
中文
TB33
2021-08-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）