以纤维素为碳源的磁性多孔碳纳米复合材料的制备及其电磁性能研究

发布时间：2018-02-12 08:44

  本文关键词： 棉纤维 镍 原位复合 多孔碳 磁性能 电磁性能　出处：《河南大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：从吸波原理上来讲,磁性多孔碳纳米复合材料是一种极具潜力的轻质吸波材料,一方面,磁性金属与碳材料都具有一定的电磁波耗散能力,二者复合,可以赋予材料更多的电磁波耗散机制,拓展其有效吸波频段。另一方面,复合材料的多孔结构不仅可以降低材料的整体密度,还利于提高材料的阻抗匹配行为,从而有助于电磁波进入到材料内部。然而,迄今为止,以纤维素为前驱体,采用简单的方法实现磁性多孔碳纳米复合材料的制备及其电磁性能的研究尚未引起关注。本课题组前期利用原位还原方法制备得到纤维素/镍纳米颗粒的复合材料,研究结果表明,该复合材料具有较好的导电性能及一定的微波吸收性能。考虑到纤维素材料本身是一种电磁惰性材料,而碳材料则是一种典型的电磁波吸收材料。在上述工作基础上,将纤维素与硝酸镍直接混合制备得到前驱体进行碳化和还原,可以一步制备得到碳/镍磁性纳米复合材料。在此过程中,借助于天然纤维素中有机成分的逸出及硝酸根的分解,有望实现对该复合材料孔道结构的调控,制备得到磁性多孔碳纳米复合材料。本论文拟通过组成和结构调控,实现对材料电磁波耗散能力及阻抗匹配性能的调控,制备出轻质高效的磁性多孔碳电磁波吸收材料。具体研究内容如下:1.将硝酸镍/棉纤维混合物为前驱体,在H2/Ar气氛下,高温煅烧制备Ni/C复合材料。结果表明,随着硝酸镍浓度的提高,所得样品的多孔结构趋于明显,说明硝酸根的含量是多孔结构形成的主要影响因素。电磁性能研究结果表明,在一定范围内,随硝酸镍浓度的增加,Ni/C复合材料的电磁性能依次提高,当硝酸镍浓度分别为0.3M和0.5M时,得到的Ni/C/石蜡复合材料(Ni/C填料含量50wt%)具有优异的吸波性能。2.为了制备轻质吸波材料,在上述工作基础上,借助于原位复合的方法将具有吸波性能的石墨烯引入复合材料体系,制备得到石墨烯/镍/碳三元复合材料。结果表明,在一定范围,随着吸波剂含量的增加,石蜡基复合材料的电磁波吸收性能逐渐增强,有效频宽范围逐渐变宽。当填料含量在40wt%时,表现出最佳的电磁波吸收性能,在频率为9.6GHz时,其最低反射率的值可达-22dB,在2.5-18GHz的频率范围内其反射率的值均低于-5dB。这说明,材料中石墨烯的引入赋予了材料更多的电磁波耗散机制,有望作为轻质吸波材料。3.磁性多孔碳材料的孔道结构不仅利于降低材料的密度,而且可以提高材料的阻抗匹配性能,使电磁波充分的进入材料内部,更好的与吸波剂发生作用,有望实现电磁波在孔道结构中的多重反射。本论文拟采用改进的制样方式—浸渍法,制备多孔碳/石蜡复合材料。在实现样品在基体中均匀分散的同时,保证了多孔结构不被破坏。研究结果表明,借助于改进的制样方式,磁性多孔碳纳米复合材料在填料含量仅为10wt%就表现出理想的吸波性能,在频率为15GHz处,其最低反射率的值可达-37dB。充分体现出其作为轻质吸波材料的潜力。4.为了进一步调控材料的阻抗匹配性能,在上述工作基础上,我们采用原位复合的方法在Ni/C复合体系中引入具有透波作用的组分--纳米SiO2。研究SiO2的含量对Ni/C复合材料的形貌及电磁性能的影响规律。结果表明,纳米SiO2的加入对复合材料的形貌产生明显的影响,适量纳米SiO2的引入有效的提高了复合材料的电磁吸波性能,当吸波剂含量仅为10wt%时,其最低反射率的值可达-45dB(8GHz)。该研究以纤维素和硝酸镍为前驱体,采用原位复合的方法一步制备得到具有多孔结构的磁性多孔碳纳米复合材料,并系统研究了材料的结构、组成、形貌等对其电磁性能的影响。从提高材料的电磁波耗散机制及阻抗匹配性能为目的,实现了对材料电磁性能的优化,得到的材料在填料含量仅为10wt%时,即可表现出优异的电磁波吸收性能。该研究一方面实现了轻质电磁波吸收材料制备及性能调控,另一方面也为纤维素材料的资源化再利用提供了新的思路。
[Abstract]:On the other hand , with the increase of the concentration of nickel nitrate , the porous structure of Ni / C composite material is better than that of Ni / C / paraffin composite material ( Ni / C filler content is 50 wt % ) . A porous carbon / paraffin composite with porous structure is prepared by in - situ composite method . The results show that the porous carbon / paraffin composite material can be used as a light absorbing material .

【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34

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本文编号：1505232