磁性空心碳复合材料的制备和吸波性能研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:19390字

目 录

1 引言 1

2 实验 3

2.1 原材料 3

2.2 仪器设备 3

2.3 步骤 3

2.3.1 胶体二氧化硅球的制备 3

2.3.2 二氧化硅 / 聚苯胺(核/壳)复合材料的制备 4

2.3.3 SiO2/PANI复合材料的碳化 4

2.3.4 空心碳的制备 4

2.3.5 空心C/Co复合材料的制备 4

2.4 表征和测量 5

3 结果与讨论 5

3.1 样品的表征 5

3.2 微波电磁性能 8

3.3 微波吸收性能 9

4 结论 12

参考文献 12

致谢 17

磁性碳复合材料制备研究

王丹阳

,China

Abstract:Colloidal silica spherical particles were synthesized by Stǒber method,and polyaniline and colloidal silica were used as carbon source and hard template, respectively, to prepare of hollow carbon. The SiO2/PANI core/shell composite was prepared by surface initialized polymerization method, then carbonized the as-prepared SiO2/PANI composite at 600 ℃ or 800 ℃, the spheres were prepared by etching SiO2 via hydrofluoric acid (10 wt% HF). In order to obtain effective microwave absorption material, metal cobalt particles were deposited on the sub-micrometer hollow carbon spheres by an electroless plating way. Electromagnetic parameters and reflection loss results showed that the hollow carbon materials had high dielectric loss and the hollow C/Co composite showed brilliant microwave absorption performance. The minimum reflection loss was up to -19.5 dB at 16.2 GHz and the maximum effective absorption bandwidth which means reflection loss less than -10 dB,was 4.1GHz (13.9-18.0 GHz) for the hollow C/Co composite which has 1.5 mm of thickness.

Keyword:PANI;Hollow C/Co Composite materials;Permittivity;Reflection loss;Magnetic Permeability

1 引言

现阶段,电磁波吸收材料正在军事方面和民用方面广泛应用。军事上,武器装备隐身和防电磁辐射等方面的应用,已逐渐向着宽频带、强吸收性能的方向发展[1],而民用中,电磁干涉污染现象愈发严重,为了减少该情况,科研工作者们对微波吸收材料给予了更多的关注。

在日益恶劣的材料使用环境下,现有的电磁波吸收材料由于主要由单一吸收剂组成,难以满足当前电磁波吸收特性的需要。为了提高吸收特性,现在科学界已开发和设计了不同类型的吸收剂,例如磁性材料[2, 3]、导电聚合物[4]和碳质材料[5]等。经过大量研究,材料的电磁波吸收性能主要体现在其复介电常数和复磁导率上。同时,优良的吸波材料需要在宽频率范围内做到轻质量、强吸收性能。

经过研究,碳材料具有的高介电损耗、较小的密度、可调的复介电常数和较强的环境稳定性引起了科学界的重视。碳材料主要包括石墨、石墨烯、碳纳米管、金刚石和非晶碳等,它结构多样、环境友好、性能稳定。碳材料的微观结构通常包含非晶态结构和晶态结构,其结构不同,介电常数和反射损耗能力也不同,因此结晶碳含量在较大程度上可以影响碳的结构,从而影响其电磁波吸收性能。非晶碳材料在防腐蚀、电池电容、太阳能能源等方面都有较大的作用,其研究对科技和国防都有巨大的贡献。无定型碳纳米粒子易于改变功能,生物相容性好,毒性低,具有良好的荧光特性。例如:使用碳水化合物作为碳源,采用水热法来制备具有荧光特性(紫外可见荧光、近红外激发荧光、和上转换荧光)的碳纳米颗粒和共沉淀法用于合成Fe3O4/C纳米粒子复合材料[6]。

仅仅使用碳的微波吸收材料会产生空气阻抗匹配问题[7,8],因此达到我们所要求的微波强吸收性能。因此,碳材料通常与一些磁性材料复合来提高其磁损耗能力并改善吸收体与空气界面处的阻抗匹配[9-12]。例如,南京航空航天大学周建豪采用嵌入气腔法和分块设计法制备了具有介孔结构的碳/铁氧体复合材料[13]。这种纳米复合材料由于其丰富的多孔结构,可以有效地吸收微波,同时提高阻抗匹配性能,在一定程度上实现了介观尺度的阻抗匹配。成分调整之后,碳/铁氧体复合材料在8至14μm波段中具有低的红外发射率,并且可用于红外隐形材料。

目前,如何更快更优地制备磁性非晶碳复合材料已经成为了科学研究的热门话题。碳源选自乙酰丙酮铁的甲醇溶液,采用液相电化学方法在在单晶硅的表面制备铁/无定型碳纳米复合磁性薄膜[14]。通过电子扫描显微镜(SEM),X射线衍射,X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱来表征。与未掺杂的非晶碳膜相比,Fe掺杂膜具有更多的无序结构,即,Fe掺杂非晶碳膜是由Fe、Fe3O4纳米晶体和非晶碳基组成的复合结构。磁滞回线图表明,Fe掺杂薄膜具有软磁特性,易磁化方向沿薄膜表面方向。在这种结构下,电磁波进入吸收剂的能力提高了,并且可以在吸收剂中进行衰减。所制备出的磁性碳复合材料的表面具有和铁,镍等金属的同量级大小的磁化强度,是一种优良的能源材料。

目前,各种磁性碳复合材料可以用作衰减或吸收微波的材料。例如磁性碳纤维[15,16]、碳纳米管[17,18]、石墨烯[19,20]和多孔碳[21,22]等。磁性碳复合材料结合了碳材料和磁性材料两方面的优点[21]。不仅可以利用碳材料密度小的特性,同时也可以利用磁性材料的高效吸收特性。多孔碳材料[23-25]主要包括微孔碳,介孔碳和空心碳等。其质量轻,易于制造并且易于表面改性。将其制备成磁性多孔碳复合材料,不但比表面积高,孔尺寸分布平均,而且环境友好,制备易得,同时还有优良的磁性能。当前,国内外关于制备磁性多孔碳的方法已经报道了许多,有水热法、气相沉积法、模板法等[22]。这些方法所使用的原材料成本比较高且很复杂,操作步骤繁琐。经过各项研究对比,通过硬模板或软模板法制备出的各种多孔碳材料是比较优良的。Han等人用胶体二氧化硅作为硬模板和葡萄糖作为碳源合成了多层多孔碳空心球[26]。Chang等人以Fe3O4为模板制备了空心多孔碳球[27]。Wu等人利用介孔二氧化硅(SBA-15)作为硬模板合成介孔碳,并用Ni2O3对介孔碳进行修饰[28]。Meng等人分别以Pluronic P123和F127为软模板,以酚醛树脂作为碳源合成了一类高度有序介孔碳 [29]。此外,苯胺中氨基具有亲水性,聚苯胺(PANI)容易沉积在一些无机材料的表面[30,31],因此聚苯胺可以作为制备多孔碳材料的理想碳源。合成聚苯胺的方法比较简单,聚苯胺环境友好、易得、掺杂机理比较独特,但是它加工性能差、水溶性差、难熔融的缺点,在一定程度上阻碍了它向实际应用的发展。有许多常见的聚苯胺合成方法仍在发展之中[32]。例如有辐射合成法,化学氧化聚合法,酶催化聚合法,电化学聚合法,声化学聚合法,物理聚合法等。以过硫酸铵(APS)为氧化剂,以盐酸为掺杂剂,采用微乳法和直接聚合法,将纳米制备技术与合成导电聚苯胺工艺相结合,可以制备出具有不同纳米结构的聚苯胺[33]。然后经过预氧化处理和高温碳化过程,可以将制备好的作为前驱体的聚苯胺纳米纤维结构转化成含氮的碳纳米纤维结构。具有量子效应,小尺寸效应和表面效应的纳米材料与导电聚苯胺材料复合,可以将双方的优点和功能集于一体,能极大地拓展聚苯胺的应用前景,改善它的熔融性与水溶性、提高它的可加工性等[34]。因此,聚苯胺可以很好地用作制备多孔碳材料的优质碳源,以获得具有磁性的多孔碳材料。

磁损耗可由涡流产生,在具有一定导电性的复合材料中,变化的磁场能产生涡电流,涡流诱发的新磁能再辐射出吸收体。Park等人制备的微波吸收材料是在碳纳米纤维上包裹了金属镍铁,与对应纳米碳纤维复合物对比可得,在吸波性能方面提高了大约26%[35]。Li等人制备了单壁碳纳米管,采用了机械搅拌法与CoFe2O4纳米材料复合,所制备出的材料具有极好的微波吸收性能[36]。Wang等人制备了磁性Fe3O4纳米粒子被排布固定在有序的介孔碳上,在频率为11.3 GHz ,厚度为1.6 mm时,其最大的反射损失值达到了-32 dB[37]。Zong等人制备获得了氧化石墨烯/Fe3O4复合材料,在厚度为3.9 mm频率为6.6 GHz的最大的反射损耗为-44.6 dB,明显地增强了微波吸收性能[38]。

目前,非晶碳材料的研究已经逐步趋于成熟,而磁性非晶碳材料的未来发展,不但要关注非晶碳材料在导电、能源等多方面的基本应用,还要把它的优良性能与磁性质结合起来。磁性多孔碳材料的发展方向应着眼于较低的原料成本,较低的反应条件,较短的生产周期,较高的比表面积,较大的孔容,较强的生物亲和性,较好的稳定性,以及较为全面的可控性。我们研究的目的是提高制备水平,改进制备方法,降低实验成本,制备出反应条件可控,成本低,性能良好的磁性空心碳球以提高吸收性能。

剩余内容已隐藏,请支付后下载全文,论文总字数:19390字

相关图片展示:

您需要先支付 80元 才能查看全部内容!立即支付

该课题毕业论文、开题报告、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找;