纳米碳基复合材料微结构调控与吸波性能

发布时间：2020-05-07 23:10

【摘要】：电磁波吸收材料能够将入射的电磁波转化为热能等其它形式能量耗散,从而使其强度衰减的一类功能性材料。碳纳米材料(包括石墨烯、碳纳米管和多孔碳等),具有优良的导电性、易于调控的介电性质,可以作为其它材料载体,成为近年来吸波材料研究的热点。但碳纳米材料因阻抗不匹配或电磁损耗不足,吸波性能尚且达不到应用需求。为了提高碳材料的微波吸收性能,本文从提高电磁损耗,改善阻抗匹配的角度出发,构建了不同表面修饰碳纳米管、ZnO@多孔碳核壳结构、Co_3ZnC纳米粒子/多孔碳、具有不同微观结构的ZnO/石墨烯复合材料。通过调控不同复合材料的微观结构特征研究了复合材料成分比例、石墨化程度、界面面积、微观结构以及表面官能团等主要因素对于碳纳米材料介电性质、阻抗匹配特性和微波吸收性能的影响。对比研究碳纳米管的表面状态对其电磁参数、阻抗匹配和微波吸收性能的影响。通过强酸处理在多壁碳纳米管表面引入了官能团和缺陷,同时水热处理原位合成纳米Fe_3O_4修饰的碳纳米管。发现碳纳米管表面官能团和Fe_3O_4能够通过降低材料电导损耗、增加极化损耗,来调节材料的介电常数,提高材料的综合微波吸收性能。其中,Fe_3O_4表面功能化碳管的最大反射损失在20 wt%时达到-53.3 dB,最大吸收带宽达到5.2 GHz。构建壳核结构多组分复合材料以提高阻抗匹配特性和微波吸收性能。以原位晶体生长的ZnO胶体为核和双层沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)为壳,通过调节反应物的浓度获得了均匀的ZnO@ZIF核-壳结构,退火后,双层ZIFs涂层热解形成负载Co_3ZnC纳米颗粒的N掺杂多孔碳壳。ZnO@多孔碳/Co_3ZnC核壳微球增加了界面损耗、磁性损耗等损耗机制,并提高了阻抗匹配,与单一ZnO及由ZIFs热解的多孔碳相比具有更优异的电磁波吸收能力,当样品厚度为2.2 mm时,反射损耗可达到-62.9 dB,有效带宽为5.5 GHz。为研究纳米碳材料的石墨化程度,界面面积对电磁参数、阻抗匹配特性和微波吸收性能的影响。通过添加Co~(2+)和Zn~(2+)金属离子制备ZIFs,进一步热解合成了多孔碳/CoZn合金纳米粒子复合材料。通过增加反应物中Zn和Co的摩尔比,降低多孔碳石墨化程度和增加多孔碳的比表面积。而Zn含量提高到一定程度,比表面积反而因石墨化程度不足快速下降。复合材料的介电常数会随比表面积的增加而增加。具有中等比表面积和石墨化程度的BM 0.2样品显示出最优异的电磁波吸收特性。当样品厚度仅为1.5 mm时,其最小RL可达到-53.2 GHz。最小反射损失在样品厚度为4.5 mm时为-59.7 dB,样品厚度为2.0 mm时的最大有效带宽为5.3GHz。复合材料的微波吸收性能比单一金属ZIFs热解的碳材料有显著提高,这归因于多孔碳中丰富的碳-空气界面增强的界面极化,以及因复合磁性金属离子提高的阻抗匹配的协同作用。基于以上表面改性和微纳米构造提高复合材料吸波性能的机制、原理及优势,进而通过在有机溶剂中原位生长及热处理的方法构建了ZnO纳米晶/石墨烯复合材料,研究了不同质量分数(5、10、15、20 wt.%)的ZnO纳米晶/石墨烯复合材料的微波吸收性能。发现15wt.%的ZnO纳米晶/石墨烯复合材料具有最优异的微波吸收性能,最小反射损耗在15.2 GHz时达到-54.2 dB,有效吸收带宽达到6.7 GHz,优化样品厚度仅为2.4 mm。由于石墨烯阻抗匹配的提高,其吸波性能相比纯ZnO纳米晶和纯石墨烯有很大程度的提高。为了进一步解决ZnO纳米晶/石墨烯复合材料的团聚问题,通过在水溶液中原位生长和热处理的方法合成了微米花/纳米晶ZnO修饰的石墨烯,使ZnO纳米晶体均匀分散于石墨烯片层上,而ZnO微米花穿插在石墨烯片层中。通过改变反应物的浓度,获得不同ZnO和石墨烯质量比(9:1,8:1,5.5:1,2:1)的复合材料。发现复合材料的介电常数实部和虚部随ZnO质量分数的降低而增加。质量比为8:1时样品显示出最突出的微波吸收特性,最小反射损失在样品厚度4.5 mm时达到-77.5 dB,最大有效带宽在样品厚度为3.5mm时达到6.9 GHz。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TQ127.11

【参考文献】