轻质TiO2碳纤维气凝胶的制备与微波吸收性能的研究

论文总字数：26358字

摘 要

目前，从棉花中制取碳纤维气凝胶（CFA）已经吸引了相当大的关注，因为它具有低密度、优良的电学性质以及化学稳定性。并且以棉花为原料进行制备具有无毒无害和环境友好的优点。然而，CFA材料相对较高的复介电常数常常限制了它们的应用。在本文中，为了降低CFA的复介电常数，用Ti₃C₂T_x衍生的TiO₂来调节具有较大介电常数的CFA，可以非常有效地实现阻抗匹配，并且，轻质TiO₂/CFA可以较容易地通过浸渍过程和高温碳化制得。吸波材料具有优异的吸波性能的关键是阻抗匹配特性和衰减特性。本实验制得的复合物展示出比碳纤维气凝胶更好的微波吸收性能。具体来说，TiO₂/CFA在6.04GHz处展现出最大的反射损耗（RL）值，为-43.18dB。此外，将吸波材料的厚度调整到只有1.9mm时，在13.24GHz处，最佳的反射损耗值可以达到-23.8dB，有效吸收宽度为4.28GHz。本实验证实了TiO₂/碳纤维气凝胶在轻质和高性能方面的潜力，并且为未来提供了一种设计电磁吸收材料的新思路。

关键词：TiO2，碳纤维气凝胶，吸波材料，介电损耗

Abstract

At present, the preparation of CFA from cotton has attracted considerable attention because of its low density, excellent electrical properties, and chemical stability. However, the relatively high complex permittivity of CFA materials often limits their application. In this paper, in order to reduce the complex permittivity of CFA, Ti3C2Tx-derived TiO₂ can be used to adjust CFA with a large dielectric constant, which can achieve impedance matching very effectively, Also, the lightweight TiO₂/carbon fiber aerogel can be easily obtained by an impregnation process and high temperature carbonization. The key elements for achieving superior absorption performance are impedance matching and attenuation characteristics. The composites produced in this experiment exhibited better microwave absorption properties than carbon fiber aerogels. Specifically, the TiO₂/carbon fiber aerogel exhibited a maximum reflection loss (RL) value of -43.18 dB at 6.04 GHz. In addition, when the thickness of the absorbing material is adjusted to only 1.9 mm, the optimum reflection loss value can reach -23.8 dB at 13.24 GHz, and the effective absorption width is 4.28 GHz. This experiment confirms the potential of TiO₂/carbon fiber aerogel in terms of light weight and high performance, and provides a new idea for designing electromagnetic absorbing materials for the future.

Key words: TiO₂, Carbon fiber aerogel, EM wave absorber, Dielectric loss,

目 录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 吸波材料的电磁参数 1

1.2.1复介电常数 1

1.2.2 复磁导率 1

1.2.3介电损耗角正切值 1

1.2.4磁损耗角正切值 2

1.3吸波材料吸收电磁波的基本原理 2

1.4吸波材料的分类 3

1.5 新型材料Mxenes 5

1.5.1 MXenes的介绍 5

1.5.2 MXenes的制备 5

1.6 TiO2和碳气凝胶 6

1.6.1 TiO2 6

1.6.2 碳气凝胶 6

1.7本文的研究内容及研究意义 7

1.7.1 本文的研究内容 7

1.7.2 本文的研究意义 8

第二章 实验材料及测试方法 8

2.1实验材料 9

2.1.1 化学试剂 9

2.1.2实验仪器 9

2.2 产物的表征方法 9

2.2.1 XRD分析 9

2.2.2 SEM分析 10

2.2.3 TEM分析 10

2.2.4 EDS分析 10

2.2.5 BET法测氮气吸附-解吸等温线 11

2.2.5 拉曼分析 12

2.2.6 XPS分析 12

2.3吸波性能测试以及评价 12

2.3.1电磁参数的测定 12

2.3.2 吸波材料吸波性能的评价 13

第三章 实验 14

3.1 Ti3C2Tx的合成 14

3.2 Ti3C2Tx/棉花复合物的合成 14

3.3 TiO2/碳纤维气凝胶（TiO2/CFA)的制备 14

第四章 表征结果与性能测试 14

4.1 TiO2/CFA复合物的形成过程 14

4.2 XRD与拉曼光谱表征 15

4.3 SEM扫描电子显微镜图和EDS能谱仪元素分析 15

4.4 TEM透射电子显微镜图 16

4.5 氮吸附 - 解吸测量和XPS表征 17

4.6 微波吸收性能测试 18

4.6.1 吸波材料电磁参数的测定 18

4.6.2 吸波材料反射损耗RL值的测定 19

4.7 TiO2 / CFA复合物可能的吸波机制 21

第五章 结论与展望 21

5.1 结论 21

5.2 展望 22

致谢 23

参考文献 24

1. 绪论

1.1引言

21世纪科技快速发展，人类已经步入了信息化时代，无线通讯技术被全世界的人们广泛应用于各个领域，电子设备也越来越频繁地被人们使用，电磁污染逐渐成为一个越来越大的困扰着全人类的问题。电磁辐射不仅会对高精度要求的电子设备产生影响，还会污染人类的生存环境，危害人们身体健康。^[1]电磁污染还可能导致信息泄露。因此，对于吸波材料的研究在当今时代具有着重要意义。目前，电磁吸波材料一般用于两大方面，一是军事领域，电磁波吸收材料技术是最常用且有效的隐身手段之一。可以在面对敌方雷达扫描时，降低各种信号特征，使自身不被敌方发现，或者缩短被勘测到的有效距离。二是在民用领域，吸波材料可以降低电磁辐射对于人体的危害，还可以运用在通讯方面防止信息泄露。^[2,3]

1.2吸波材料的电磁参数

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