电磁功能化碳纳米纤维的制备及其复合材料吸波性能研究

发布时间：2020-11-03 23:31

　　 随着当代社会的高速发展,电磁波污染已经成为了一个影响人们生活的严重的社会问题。在军事领域,雷达探测技术进步的同时要求战场上的大型军事装备避免被敌方发现,成为了一个赢得现代战争的重要因素。因此,电磁屏蔽及吸波材料应运而生。自20世纪60年代以来,吸波材料便受到了研究者广泛的关注,研制出具有更加优异性能的吸波材料,实现吸波材料“薄、轻、宽、强”的总目标,对民用以及军用领域都具有重要的价值。本文研究制备了一种电磁功能化的碳纳米纤维,采用化学共沉淀的方法将四氧化三铁覆载到碳纳米纤维的表面,随后采用原位聚合的方法引入聚苯胺包覆层,制备出具有三相异质结构的PANI@Fe_3O_4@CNFs纳米粒子。FT-IR、XRD、XPS、SEM等测试表明纳米粒子的成功合成且结构稳定性良好。选取综合性能优异的环氧树脂作为基体,将PANI@Fe_3O_4@CNFs作为吸波填料制备吸波复合材料。结果表明,随着填料质量分数的增加,材料的吸波性能随之提升。当填料含量为15 wt%,材料厚度为2 mm时,反射损耗的最小值为-23.7 dB,所对应的频率为13.6 GHz,小于-10 dB的有效吸收频带为3.7 GHz(从11.9到15.6 GHz)。在纳米粒子上包覆聚苯胺后,有助于提高纳米粒子与环氧树脂之间的相容性,调节材料的阻抗匹配,增强电磁波在纳米粒子内部的衰减损耗,提升材料的吸波性能。随后,将羰基铁粉磁性材料与PANI@Fe_3O_4@CNFs纳米粒子共混作为吸波剂研究复合材料的吸波性能。结果表明,固定PANI@Fe_3O_4@CNFs纳米粒子含量为5 wt%,随着羰基铁粉质量分数的增加,复合材料吸波效果随之提升。当羰基铁粉含量为50 wt%,材料厚度为2 mm时,反射损耗最小值为-15.9 dB,所对应的频率为11.6 GHz,有效吸收带宽为3.7 GHz(从10.2到13.9 GHz),该试样记为PFC-CIP50。材料的磁损耗为在低频区的自然共振以及高频区的涡流损耗。引入PFC纳米粒子后,在保证磁导率的情况下提升了材料的介电常数,增强阻抗匹配和衰减特性,在保证吸波效果的情况下降低了材料的密度。结合超材料理论,选取磁性PFC-CIP50复合材料,将其图案化处理设计一种具有人工周期结构的双层超材料宽频吸波体(MMA)。采用数值仿真方法研究了周期结构参数对超材料吸波体性能的影响。结果表明,MMA的吸收带宽为11.2GHz(从6.8到18 GHz)。随厚度的增加,吸波曲线向低频移动,可通过对结构参数的设计实现对吸收峰位置的改变。随后,将方形开口金属谐振环与MMA结合,将吸波频段进一步拓宽0.5 GHz,可实现C波段吸收峰的可控设计。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ342.742;TB33
【部分图文】：

单层吸波材料表面的传播示意图，当磁波会在材料的表面发生反射和透到吸波材料的内部，在金属背衬以部反射过程中，电磁波会在吸波材与自由空间的界面时也会出现透射，进行有效吸收需满足两个条件：1），需要材料的阻抗与空气的阻抗相近后需要被快速而完全的损耗，即衰需材料的rrε = μ，但对于实际情况行设计提升，而材料的磁导率则很难时会出现变化，故在使用频段内完计保持相近。若要电磁波在材料中ε ′′ 与μ′′ 较大。综上，对吸波材料的计才能得到优异的吸波效果。需要根

的化学结构图 (a)金刚石 (b)石墨 (c)无定型碳 (d)碳纳米碳纳米管 (f)石墨烯hemical structure of the carbon based materials (a) diamond (hous carbon (d) carbon nanofiber (e) carbon nanotube (f) gra等在室温下合成了具有三维多孔互联网络结构的还原氧O4复合材料。所合成的 Fe3O4粒径在 5-10 nm 之间，均匀表面。研究结果表明相比传统的覆载形式这种三维结构据能。在频率 10.1 GHz、匹配厚度为 2.5 mm 时材料的oss，RL）达到-47.9dB。对于吸波材料，RL 为-5dB 则表收，我们认为 RL 在-10 dB 以下即电磁波能量有 90 %以吸波频段。Zhu[42]等采用原位反应的方法将 Si 和多壁碳一维的具有多孔结构的 MWCNT/SiC 纳米复合材料，随到 400℃，所合成的纳米粒子吸波带宽增加。吸波性能主的缺陷以及 SiC 与 MWCNTs 间界面的协同作用所产生的

全还原态（leucoemeraldine，LEB），表现为电绝缘体；当 y=0 时，聚苯胺全氧化态， 分子内为“苯—醌”交替式排列（pernigraniline，PE），也表现缘体；当 y=0.5 时，聚苯胺处于中间氧化态，也就是本征态聚苯胺。仅有征态聚苯胺能够通过质子酸掺杂发生从绝缘态到导电态的突变，而其他氧电导率的跃迁程度则较小。聚苯胺具有独特的氧化还原可逆性，即在一定各种结构可以发生相互之间的转化。
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本文编号：2869259