多孔碳材料的制备及其电磁波吸收性能的研究

发布时间：2018-03-31 20:53

本文选题：多孔碳材料　切入点：聚酰亚胺　出处：《吉林大学》2017年硕士论文

【摘要】：近年来,随着电子工业的蓬勃发展,电子和电气设备在日常生活中的普及,电磁辐射与干扰问题日益严重,影响着人们的生活与健康。在军事领域,随着雷达探测技术的发展,对电磁隐身技术的需求越来越迫切。因此,对新型电磁波吸收材料的开发以及电磁波吸收机理的研究已成为当前的科学研究热点。面对日益严苛的使用环境,现有的电磁波吸收材料已经难以满足使用要求,多孔碳材料的开发为新型吸波剂的设计与制备提供了新思路。多孔结构不仅可以降低材料密度,同时在实现电磁波的高效吸收方面也表现优异,对研制轻质(轻)、薄厚度(薄)、宽频吸收(宽)、强损耗(强)的高效电磁波吸收材料具有重要的意义。碳材料的微观结构通常包含无定形态和结晶态,可以影响材料的介电常数和介电损耗,因此结晶碳含量对碳基吸波剂的电磁波吸收性能具有较大的影响。首先,将纳米石墨微片(GNS)通过原位聚合引入到ODA/PMDA型聚酰亚胺体系中,并以FeCl_3作为孔尺寸调节剂,制备了一系列“多孔碳/纳米石墨微片/铁磁性粒子”复合吸波剂(PC/GNS/Fe)。通过调节FeCl_3的添加量可以对材料的孔结构进行调控,添加量为0.2 wt.%时,材料的孔径大小为120 nm,材料的介电损耗能力最强,具有最佳的电磁波吸收性能。通过调节GNS的添加量可以调节吸波剂中结晶碳的含量,随着GNS添加量的增加,材料中碳的结晶度不断增加。在GNS的添加量较低时,由于GNS较好地分散,材料的介电损耗显著地提升;而再继续增加GNS的添加量,由于结晶碳的团聚,材料的介电损耗不能持续地提升。孔径为120 nm、结晶碳含量为5.1 wt.%的材料具备最佳的电磁波吸收性能。当匹配厚度为2.6 mm时,对频率为8 GHz的电磁波最大吸收达到-36.5 dB(超过99.9%吸收),具有强吸收的特性;在厚度为1.4 mm时,反射损耗超过-10dB频带宽度(RL-10d B)达到3.6 GHz(14.4~18.0 GHz),具有宽频吸收特性。因此,通过调节材料中碳的结晶度可以调节材料的电磁参数(介电常数和磁导率),进而影响材料的电磁波吸收性能。综上所述,通过调控材料的孔尺寸以及结晶碳的含量,可以实现对材料的吸波性能的优化,有利于获得综合性能优异的电磁波吸收材料。对于多孔碳材料而言,不仅碳的微观结构会对材料的电磁波吸收性能产生较大影响,而且孔的形貌也会对材料的电磁波吸收性能产生影响。聚合物具有形貌可控并易于加工的特性,以其为碳源材料易于制备形貌可控的多孔材料。但在碳化过程中,聚合物的多孔结构容易塌陷,从而无法保持特定的多孔形貌。通过分子结构设计,设计合成了含噻唑结构的二氨单体,并以其作为共聚单体将苯并噻唑引入到聚酰亚胺主链结构中。主链中苯并噻唑基团增强了聚合物分子链的刚性,并且噻唑基团的吸电子作用降低了酰亚胺结构稳定性。因此,这种特殊结构的聚酰亚胺的初始热分解温度(390℃,DTG)高于材料的玻璃化转变温度(Tg,404℃,DMA)。通过液-液相分离的方法,制备了具有“蜂窝状”多孔结构的聚酰亚胺酸膜,经亚胺化和高温碳化,其孔形貌未发生塌陷,多孔碳材料(PC)孔径为280 nm。进一步通过化学共沉淀法在多孔碳的表面修饰Fe_3O_4纳米粒子,制备了“多孔碳/Fe_3O_4”复合吸波剂(PC/Fe_3O_4)。PC/Fe_3O_4表现出了优异的电磁波吸收性能,在匹配厚度为5.5 mm时,对频率为11.76 GHz的电磁波最大反射损耗达到-20.1 dB(超过99%的电磁波被损耗)。并且当匹配厚度在1.3至5.5 mm之间变化时,吸波剂对Ku波段(12~18 GHz)的电磁波最大反射损耗均超过了-10 dB(超过90%吸收)。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ127.11;TB383.4

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