基于静电纺丝的多元复合纳米纤维的制备及其电磁波吸收性能研究
当今时代，以通讯技术和电子技术为基础的现代科学的发展日新月异，这在给人们的生产、生活和工作带来巨大便利的同时，也带来了严峻的电磁污染，这给精密设备抗干扰和人体健康防护带来了巨大挑战。同时，军事领域中对设备电磁隐身也提出了更高的要求。因此，吸波材料以其能有效衰减和削弱电磁波而受到了研究者的广泛关注。近年来，吸波材料虽然获得了长足发展，但仍难以同时具备“薄、轻、宽、强”的吸波性能要求以及耐高温、抗氧化、抗冲击、以及具有环境友好性等特点，这限制了吸波材料进一步的发展。为克服上述问题、研制和开发高性能吸波材料，本研究以静电纺丝工艺为基础，制备了多种具备高长径比和精细化微观结构的复合纳米纤维，并以介电半导体、磁性金属和碳质为核心，探索了多种复合方式对材料吸波性能的影响以及它们对性能提升的贡献，通过促进各组分、各损耗机制的协同效应，提高材料的阻抗匹配特性和衰减能力，最终获得轻质、宽频、强吸收的高效电磁波吸收材料。 因此，本文以纤维精细化结构设计和实现不同组分协调配合为研究重点，采用静电纺丝的办法，制备了包括ZnO/Co、MnS/C、MnO/C、TiO2/C、Ni/TiO2/C、Co/TiO2/C等在内的一系列具有精细化结构的纳米纤维。本文具体研究的内容包括以下方面: (1)为探究半导体/磁性金属二元复合纳米纤维的吸波机理和性能，利用静电纺丝、高温煅烧和氢气还原相结合的方法，制备了空心ZnO/Co复合纳米纤维。优选的纳米纤维表现出较好的吸波性能:当其匹配厚度为3.0mm时，在11.4GHz处取得其最小反射损耗为-68.4dB;在厚度为2.6mm时，有效吸收带宽可达5.9GHz(9.5-15.4 GHz)，远高于其他比例的复合纤维和纯ZnO纤维。研究分析表明半导体/磁性金属二元复合可同时实现匹配优化和衰减增强，其颗粒实现在纳米尺度的结合可极大增强界面极化损耗，且空心结构设计在降低材料密度的同时可进一步优化阻抗匹配。结果证明，半导体/磁性金属二元复合纤维的设计能极大改善材料的电磁波吸收性能。 (2)为了简化纳米纤维制备步骤、提升材料的抗氧化性和进一步降低材料密度，将磁性金属替换为碳质，制备了包括MnO/C和MnS/C在内的半导体/碳质二元复合纳米纤维。结构上MnO或MnS颗粒均匀镶嵌在碳质纤维基体表面。性能分析表明，该材料兼具轻质、强吸收和超宽频三大特点。其在匹配厚度为3.6mm，频率为11.1GHz时取得其最小反射损耗为-68.9dB;在厚度为3.3mm时，有效吸收带宽可达7.2GH，并且实现了几乎所有匹配厚度下的宽吸收。研究表明优质的阻抗匹配特性是其具有超宽吸收带宽的最重要原因，同时说明硫化物半导体和碳质表现出良好的功能协调性，为高性能吸波材料的开发提供了全新的方法和思路。 (3)为解决材料依然存在的匹配厚度较厚的问题，并保持便捷地制备方式，在上述二元复合纤维中引入磁性金属，制备了TiO2/Ni/C三元复合纳米纤维。结构上，碳纳米纤维表面均匀地包覆一层粗糙褶皱的TiO2，金属Ni纳米颗粒均匀地嵌在纳米纤维的表面和内部。性能上，在厚度为2.0mm时，取得其最小反射损耗为-74.5dB;在厚度为2.6mm时，有效吸收带宽可达6.7GHz。研究表明磁性金属能提高衰减能力、降低匹配厚度。该材料的综合性能远高于报道的其他三元复合吸波材料，表现了作为高效电磁波吸收材料的良好潜力。 (4)为在保持上述在吸波性能和材料制备方面的优势，并进一步优化材料在中低频的吸波性能，延续之前的思路，采用金属Co代替Ni制备了TiO2/Co/C三元复合纳米纤维。结构上，碳纳米纤维表面分散镶嵌着多晶Co纳米颗粒，表面和内部均匀分布着约3nm的TiO2微晶。性能上，材料在厚度为2.5mm时取得其最小反射损耗为-57.2dB，且最大有效吸收带宽可达6.8GHz。材料在中低频的吸波性能明显提升，这主要得益于金属Co对阻抗匹配特性的进一步优化和微观结构的进一步调整。对该材料的分析研究证明半导体/磁性金属/碳质三元复合纤维的设计具有极高的合理性和优越性，进一步展示了其成为新型高效吸波材料的巨大潜力。 (5)为深入研究上述三元复合纤维中碳质基体的作用，制备了不同石墨化程度的TiO2/Co/C复合纳米纤维。吸波性能分析结果表明，材料仅在700℃碳化温度下才能获得良好的吸波性能，升高或降低温度都会导致性能下降。同时注意到，随着碳化温度提升，材料的介电常数和电导率也会不断提高，导致吸波性能先提升后下降。进一步深入研究发现，碳化温度的提高会同时导致衰减能力的增强和阻抗匹配的削弱，正是阻抗匹配特性与衰减能力之间的对立关系最终限制了材料制备需要特定的碳化温度范围。同时，研究表明该规律可能拓展适用于大部分的通过碳化有机成分获得的吸波材料，这对高性能碳质复合吸波材料的设计和研制具有较高的指导意义。
静电纺丝;纳米纤维;多元复合;精细化结构;电磁波吸收
山东大学
博士
材料物理与化学
刘久荣
2021
中文
R318.08;TQ340.64
2021-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）