密胺海绵基碳泡沫的制备与吸波性能的研究
近年来，5G等通信技术的快速发展在给人们带来便利的同时也带来了严重的电磁污染。对电磁波进行吸收是解决这一问题的有效途径。基于此，研究者对电磁波吸收材料进行了深入的研究。导电聚合物、金属氧化物，金属单质等传统电磁波吸收材料因其自身具有的有效吸收频带窄，密度大，制备过程繁琐等缺点限制了其进一步的应用。碳材料因其密度轻，化学性质稳定等优点被广泛应用于电磁波吸收材料领域。然而，目前研究表明，碳材料仍存在电导率高、阻抗匹配差等缺点。为了克服以上不足，本论文使用密胺海绵作为碳材料的前驱体，通过氮气焙烧的方法制得密度较低的碳泡沫(CF)。通过引入金属纳米粒子、铁氧体、硫化物、导电聚合物，使其在碳泡沫表面形成匹配层，有效地改善了材料的阻抗匹配，最终制备出具有强反射损耗，宽吸收频带的电磁波吸收材料。通过对材料的表面化学状态、组成比例以及材料的微观结构等物化性质进行表征，结合对材料电磁参数进行分析，深入探究其电磁波吸收机理。本论文的主要研究内容如下:(1)在氮气气氛下以密胺海绵为前驱体，采用共沉淀—焙烧法将粒径尺寸为20～600nm的CuNi纳米粒子修饰在碳泡沫表面。研究结果表明，与纯碳材料和单金属修饰的CF相比，CuNi比为1∶1条件下制得的样品CuNi11在1.6mm厚度下的最大反射损耗为-50.20dB，厚度为1～5mm时有效带宽为3～18GHz。电磁波吸收机理研究表明，CuNi11/CF复合材料对电磁波吸收性能的提高主要得益于适宜的CuNi比例所带来的良好的阻抗匹配。 (2)利用溶剂热法在碳泡沫表面生长了尺寸约为100nm的1T/2H相MoS2纳米片。结果表明，水热时间为8h制得的MoS2/CF复合材料在10.2GHz处的最大反射损耗为-45.88dB，对应的匹配厚度为2.2mm，有效吸收带宽为5.68GHz。结果表明，较低介电常数的1T/2H相MoS2作为匹配层包覆在CF外部，形成了介电常数梯度渐变的电磁波吸收材料。电磁波能够尽可能多的进入材料内部，有效改善了复合材料的阻抗匹配，使CF的高衰减特性得以有效发挥。 (3)利用水热—焙烧法将一维NiCo2O4纳米针生长在碳泡沫表面，形成兼具磁损耗与介电损耗的NiCo2O4/CF复合材料。样品的电磁波吸收性能测试结果表明，水热时间为8h时制备的NiCo2O4/CF复合材料最大反射损耗高达-63.06dB(厚度为2.8mm)，有效吸收带宽为4.72GHz(厚度为1.3mm)。磁损耗的引入丰富了材料的损耗类型，磁导率与介电常数的平衡为阻抗匹配提供了可能。除此之外，一维材料易于极化的特性使材料在与电磁波作用时产生了大量偶极子，材料内部的偶极子极化进一步提升了材料的电磁波吸收性能。 (4)通过过量浸渍法将厚度为200～500nm的ZIF-67纳米片生长在碳泡沫表面，之后在空气气氛下通过低温焙烧将ZIF-67纳米片转化成含Co3O4的碳纳米片。最终制得Co3O4/CF复合材料。向碳泡沫中引入含铁氧体的多孔碳在不改变复合材料特性的前提下使材料的密度进一步降低。反应时间为1h条件下制得的Co3O4/CF在10.72GHz处的最大反射损耗为-46.58dB，有效吸收带宽为5.4GHz。研究结果表明，低结晶性Co3O4/CF复合纳米片的引入能够阻断碳泡沫的径向接触，从而降低材料的电导率。与单一组分的Co3O4纳米片相比，Co3O4/CF复合纳米片内部丰富的界面极化为CF电磁波吸收性能的提高提供了保证。 (5)以苯胺为单体，过硫酸铵为引发剂，在盐酸环境下将苯胺聚合在碳泡沫表面制得纳米锥状聚苯胺/CF复合材料。通过对其电磁参数的分析探明反应时间对复合材料电磁波吸收性能的影响。样品的电磁波吸收性能测试结果表明，聚合时间为24h条件下制得的聚苯胺碳泡沫复合材料在1.3mm厚度下，17.52GHz处的最大反射损耗高达-51.96dB，在1～5mm厚度下样品的有效吸收带宽达到了14.4GHz。对电磁波吸收机理进行研究可知，聚苯胺碳泡沫复合材料的介电损耗主要由电导损耗组成。样品在低频处的弛豫时间越长，样品的极化损耗越大。以上研究结果不仅对材料内部介电损耗的类型进行了划分，而且为进一步探明材料的电磁波吸收机理提供了思路。
吸波材料;吸波性能;碳泡沫;密胺海绵;阻抗匹配
山东大学
博士
材料物理与化学
秦国梁;刘久荣
2021
中文
TB34
2021-08-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）