论文总字数：16647字

目 录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

2 实验过程 2

2.1实验药品 2

2.2 仪器设备 3

2.3片状有序介孔碳/羰基铁复合材料的制备 3

2.3.1片状有序介孔碳的制备 3

2.3.2 有序介孔碳/羰基铁复合材料制备 4

2.4表征和测量 4

3 结果与讨论 4

3.1不同材料形貌分析 4

3.2 C-x-Fe样品XRD测试分析 5

3.3吸波材料吸波性能研究 6

4 总结 13

参考文献 13

致谢 15

片状介孔碳/羰基铁复合材料的制备和微波吸收性能研究

金应琴

, China

Abstract: In this paper, F127 was used as a soft template to prepare sheet-like ordered mesoporous carbons by volatilization-induced self-assembly method. The mesoporous carbon/carbonyl iron composites were prepared by mechanical milling. The complex permittivity and complex permeability of the ordered mesoporous carbons and their magnetic composites were measured in the range of 2-18 GHz, and the microwave reflection loss performances of the composites were calculated. The results show that absorption properties of the absorbing materials are affected by the carbonizing temperature and the thickness of the absorbent within a certain range. Compared with the ordered mesoporous carbons, the mesoporous carbon/carbonyl iron composites display better microwave absorption properties The reflection loss peak of the C-700-Fe at the absorber thickness of 4.0 mm is -4.9 dB lower than that of the C-700, and the electromagnetic wave loss of C-700-Fe at 4 to 18 GHz is 90%. At 2 GHz, the complex permittivity of C-700 is 20-j*27.5, and the complex permittivity of C-700-Fe is 18-j*9.5.

Key words: Ordered mesoporous carbon; Carbonyl iron; Permittivity; Permeability; Reflection loss

1引言

随着当今世界科学技术的迅猛发展，电子产品的使用变得越来越普遍，随之而来的电磁辐射对坏境造成了严重的污染[1]。同时军事上现有的探测手段对武器装备、军事战力以及重要目标的发现变得极为容易，从而使其失去应有的作用。为了保护环境和增强军事实力，电磁防护变得至关重要[2]，当前最主要的电磁防护措施是电磁屏蔽和电磁波吸收，其中电磁波吸波主要靠制备电磁波吸收材料。

吸波材料具有不同的分类，按其损耗机制可以分为电阻型、电介质型和磁介质型。电阻型损耗机制是利用材料的电阻发热来损耗电磁波。电介质型损耗机制通过介质的极化效应吸收衰减电磁波[3]。磁介质型损耗是指在交变场作用下产生的各种能量损耗的总称，包括涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗，其中剩余损耗是除了前两种损耗以外的损耗[4]。

羰基铁粉属于磁介质型的吸波材料，其磁导率和磁损耗在微波频段内较高，因此在微波领域应用广泛。然而其在低频波段吸收性能较差，为解决这个问题，1998年，Wasler等人[5]通过对高能球磨后的片状颗粒和未处理的球形颗粒进行比较，处理后的颗粒其磁导率在GHz范围内大有提高，同时共振峰也移向高频。朱东梅等[4]利用高能球磨法将羰基铁进行了扁平化处理。结果表明，研磨时间越长，羰基铁的片状化结构越明显。将研磨充分的羰基铁制成吸波材料后，反射损耗小于-10dB的带宽有所增加，低频波段反射损耗增强，吸波性能得到改善。

上述例子表明，对铁磁颗粒进行扁平化处理有利于增强其在微波低频段的吸波性能。扁平化处理的方法较多，张伍强[3]对羰基铁粉进行扁平化处理时采用了行星式球磨工艺，将样品放在球磨罐中，加入适量无水乙醇和冷却水，然后设置不同球磨时间，球磨后干燥处理，筛选适合的羰基铁粉片，制成吸波材料，对其吸波性能进行分析，结果表明：适当增加羰基铁粉的扁平化程度、样品的厚度以及羰基铁粉在样品中的比率均有利于改善其微波低频的吸波性能。

由于扁平化后阻抗不匹配，为提高羰基铁的性能，常见的方法时对羰基铁进行复合和表面改性。陆瑶[1]采用共沉淀法在片状羰基铁粉表面包覆了一层致密的NiZn铁氧体薄膜，对其吸波性能进行研究发现，吸波材料的复介电常数得到提高，复磁导率基本不变，材料的阻抗匹配性能得到提高。相对于没有包覆NiZn铁氧体薄膜的片状羰基铁粉，包覆后的样品的反射损耗峰值下降了-15 dB，吸波性能得到改善。

碳材料属于电介质型的吸波材料，具有很多优点，特别是其优异的介电性能和低密度的特性使其受到吸波材料研究者的青睐。一般认为，碳系吸波材料的主要损耗机制是电阻损耗和介电损耗。介孔碳材料（孔径在2到50 nm之间）的比表面积很大、孔径大小可以调节且比较均一，稳定性和导电性较为良好。其合成方法主要有软模板和硬模板法，对于软模板法合成介孔碳材料，最早采用溶剂挥发诱导自组装的方式获得，即EISA 法[6]。Wang等[7]应用酚醛树脂为前驱体制备了有序介孔碳，首先制备酚醛树脂的乙醇溶液，然后和F127的乙醇溶液混合均匀，蒸发溶液，热聚合，高温碳化以后就得到了有序介孔碳，其聚合方法包括溶液挥发诱导聚合和微波水热聚合。王媛媛[8]通过模板法研究介孔碳材料以及杂原子介孔碳材料，通过自组装形成了有序介孔结构。Dan Liu等[9]通过使用三嵌段共聚物P123作为模板，并以间苯二酚/六次甲基四胺作为前体对，开发了强酸性水性协同组装路线以合成有序介孔碳(OMC)。通过用六次甲基四胺作为交联单体代替常用的甲醛，可以很好地控制间苯二酚/甲醛树脂和P123的自组装动力学，从而获得具有二维六角介观结构和纤维状形态的高质量碳材料。通过改变反应参数如P123浓度和反应温度，可以容易地调整纤维状碳的尺寸和结构性质。李猛等[10]以介孔硅为硬模板，蔗糖为碳前驱体，采用液相浸渍方法填充碳源，制备出有序介孔碳。Baixue Zhang[11]等以m-二乙炔基苯(m-DEB)为前驱体采用湿法渗透法合成了介孔碳。在800 ℃，1000 ℃，1200 ℃条件下碳化并除去模板后，形成具有非常窄的孔径分布的OMC，且具有高热稳定性。

综上所述，由于吸波材料的种类很多，各有优缺点。为了制造高效的吸波材料，可以把不同吸波材料进行复合。为了让新的吸波材料发挥出更好的性能，要选取优劣互补的材料，羰基铁和有序介孔碳都具有很好的吸波性能，将二者进行复合，并研究其吸波性能，旨在寻找高性能的吸波材料。

2 实验过程

2.1实验药品

本文所用实验药品如表2.1所示

表2.1 实验所用化学原料和化学药品

2.2 仪器设备

本文在实验中所用到的主要仪器设备如下表 2.2。

表 2.2 实验所用主要仪器设备

2.3片状有序介孔碳/羰基铁复合材料的制备

2.3.1片状有序介孔碳的制备

2.3.1.1 酚醛树脂的制备

首先称量好烧杯的质量。称量3.05 g苯酚至烧杯，40 ℃时在干燥箱中烘25 min至溶解。配20wt%NaOH（5 g NaOH，20 ml水），取0.5327 ml NaOH溶液加入苯酚溶液中搅拌10 min。4.85 ml甲醛逐滴加入，70 ℃搅拌1 h，冷却至室温。将浓盐酸稀释，将上述溶液调制PH=7，50 ℃下烘干（约20 h），称所得酚醛树脂的质量。

2.3.1.2 酚醛树脂/二氧化硅复合材料的合成

将酚醛树脂溶于乙醇，制得20wt%酚醛树脂乙醇溶液。8 g F127溶于50.69 ml乙醇中，再加入5 ml 0.2 mol/L HCL（1 ml浓盐酸 59.24 ml蒸馏水）。在40 ℃条件下搅拌1 h。再加入11.13 ml TEOS，再加入上述酚醛树脂乙醇溶液，搅拌2 h。放入盘中将酚醛树脂乙醇溶液蒸发干，约10 h，在100℃下再反应24 h，研磨成粉末，即为酚醛树脂/二氧化硅复合材料。

2.3.1.3有序介孔碳的制备

将酚醛树脂/二氧化硅复合材料样品以1 ℃/ min速率升温到350 ℃，保温3 h，再以1℃/ min速率升温到600 ℃，再以5 ℃/ min速率升温到x ℃（x表示碳化温度，分别为700 ℃，800 ℃，900 ℃），并在该温度下保温5 h，得到的样品标记为SiO₂-C-x，再以10%的HF蚀刻，得到C-x。

2.3.2 有序介孔碳/羰基铁复合材料制备

取0.4 g C-x和0.6 g羰基铁粉混合后，研磨均匀，研磨过程中加入两次酒精研磨至酒精全部挥发，在真空干燥箱中50 ℃条件下烘4.5 h，得到的样品标记为C-x-Fe。

2.4表征和测量

分别对C-x进行TEM测试，对C-x-Fe进行TEM，XRD测试。采用矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer)对上述样品的电磁参数进行测量，测试频段为2~18 GHz。测量前，样品需要制成环状。具体操作过程如下：

取0.5 g的C-x（占40%）和0.75 g的石蜡放入小烧杯，加热至石蜡融化，将二者混合均匀，用同轴环状模具将样品做成外径为7.0 mm，内径为3.0 mm，厚度约为2.0 mm的同轴环状测试样品。C-x-Fe也按上述方法制成同轴环状测试样品。具体过程为取0.2 g的C-x-Fe（占60%）和0.133 g的石蜡，放入小烧杯，加热至石蜡融化，将二者混合均匀，用同轴环状测试模具将样品做成外径为7.0 mm，内径为3.0 mm，厚度约为2.0 mm的同轴环状测试样品。

3 结果与讨论

3.1不同材料形貌分析

图1(a)为羰基铁粉经球磨后的SEM照片，由南京大学研究人员提供。可以明显看出是很薄的片状结构，直径最大为十几微米。

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