碳基吸波材料与超材料复合结构的吸波性能研究
发布时间：2021-08-29 21:32
随着科学技术的进步和吸波领域的扩展,人们对吸波材料的性能需求逐渐朝着“更轻、更薄、更宽、更低、更强”的方向发展。传统吸波材料因为高密度、窄宽带的问题,在应用领域受到了极大的限制。近十几年来,作为新型吸波材料的碳基吸波材料和超材料已经成为人们关注的热点。碳基吸波材料具有较低的密度,在高频范围的吸波性能优异,但吸收频段很难向低频扩展。超材料作为一种可调节的人工电磁材料,对特定频段的电磁波可以实现完美吸收,但同样很难在保持轻薄的前提下拓展带宽。将基于不同吸波机理的碳基吸波材料与超材料相结合,为提高材料的吸波性能提供了新的可能。目前,人们对超材料与其他吸波材料的复合结构已经有了很多研究,但对材料之间的耦合作用机理尚不明确。因此,本文通过HFSS进行仿真分析,以多壁碳纳米管/石墨烯吸波海绵作为碳基吸波材料的典型代表,在研究其吸波特性的基础上,分别与金属基和全介质超材料两种不同种类的超材料复合,研究复合结构的吸波性能随着组成材料参数变化的规律,探讨了碳基吸波材料和超材料之间的结合方式和相互之间的作用。研究结果表明,碳基吸波材料板的吸收峰随着相对介电常数实部的增大整体向低频移动。损耗角正切值的增大会...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
炭黑薄膜与钛酸钡复合粒子的TEM照片[7]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文33.2GHz（7~10.2GHz）；当涂层厚度为3mm时，反射损耗低于-10dB的频带宽为3.8GHz（11.2~15GHz），峰值为-14.3dB（见图1-2）。吴友朋等人[9]在纳米炭黑中添加微米碳化硅制备了一种新型的复合吸收剂，加入碳化硅使得炭黑／环氧树脂复合涂层的体电阻率和渗流阈值降低；在5％的炭黑中添加50％的碳化硅制备出了厚度为2mm的涂层，其在7.5~13.5GHz宽频范围内实现有效吸波，吸收峰值达-40dB。图1-1炭黑薄膜与钛酸钡复合粒子的TEM照片[7]图1-2碳包覆铁纳米颗粒/丙烯酸树脂的反射损耗曲线[8]碳纳米管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝、中空的一维纳米级管，具有特殊的螺旋结构、手征性和特殊的电磁效应，对微波和红外都表现出较强的宽带吸收性能，而且具有密度孝耐高温、介电性能可调、稳定性好等优点[10]。初步研究表明，碳纳米管的微波吸收特性与其化学组成、几何结构和生长过程等有着密切关系[11]，碳纳米管的介电常数较大，但磁导率较小；而在微波频率下，高的磁导率实部与虚部以及与之相适应的介电常数是构成宽频带吸波材料的基矗因此，常见的做法是添加其他材料来调节碳纳米管的电磁参数。碳纳米管基吸波
uang等人[13]将多壁碳纳米管与聚苯胺复合，复合结构展示出了优异的吸波特性，如图1-3所示，在8.8GHz下达到最大反射损耗-49.6dB，吸收频带为2GHz。岳立福等人[14]研究了碳纳米管/环氧树脂复合结构的吸波性能，将制备的管径为10~30nm、长度>1μm的碳纳米管与环氧树脂以质量比为8:100的比例复合后，浇铸在180mm×180mm×1.2mm的铝板上，当吸波涂层厚度为7mm时，材料具有良好的吸波性能：在10.08GHz和16.80GHz出现双吸收峰，对应的吸收衰减分别高达21.08dB和20.2dB，总带宽分别达到5.46GHz（R<-8dB）和11.20GHz（R<-5dB）。图1-3多壁碳纳米管/PANI的反射损耗曲线[13]石墨烯由于其独特的六元环电子共轭结构单元、二维材料特性、特殊的电磁波作用机制以及巨大的性能可调控工作表面，被认为是新一代最具潜力的吸波材料[15]。最近的研究表明，具有缺陷和残余含氧基团的还原氧化石墨烯（RGO）不仅可以改善阻抗匹配特性，加快能量转移到费米能级的速度，还能引入缺陷极化弛豫和组的基团的电子偶极子弛豫[16]，这些都是有利于电磁波的吸收。在Wang等人[17]的报导中，还原氧化石墨烯在7GHz时的吸收强度可达-6.9dB，比碳纳米管和石墨烯的吸收性能更优，但吸波性能依然很差。石墨烯对电磁波的吸收主要是通过介电损耗和电阻损耗，介电常数相对偏高，这就造成了阻抗不匹配的问题。近来，将二维石墨烯片合成三维石墨烯网络的研究取得了重大进展。和二维石墨烯片相比，三维石墨烯网络在保持二维石墨烯片优异性能的同时，由于内部具有均匀分布的孔隙，不仅具有更低的密度，而且有效介电常数相对变小，在较宽的频率范围内对入射波的电阻也小得多。Chen等人[18]第一次证实了宏观石墨烯泡沫材料（GF）的优异吸波性能。如图1-4所示，在泡沫结构中引入石墨烯导电网
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯复合吸波材料的研究进展及未来发展方向[J]. 贾琨,王东红,李克训,谷建宇,刘伟. 材料导报. 2019(05)
[2]碳基复合吸波材料研究进展分析[J]. 安锐,韦红余,何敏,周来水,梁晋华,谢迪,张志平,吴焕琦. 材料导报. 2017(21)
[3]晶须状多壁碳纳米管导电液及透明导电薄膜的研究[J]. 岳立福,孙晓刚,庞志鹏,吴小勇,聂艳艳,刘珍红. 人工晶体学报. 2016(02)
[4]碳基吸波材料的研究进展[J]. 李斌鹏,王成国,王雯. 材料导报. 2012(07)
[5]掺杂碳化硅对纳米炭黑导电和吸波性能的影响[J]. 吴友朋,刘祥萱,张泽洋. 表面技术. 2010(05)
[6]纤维复合吸波材料的研究进展[J]. 王祖鹏,于名讯,潘士兵,厉宁,刘永峙. 化工新型材料. 2010(04)
[7]碳包覆铁/丙烯酸树脂水性纳米复合涂料的制备及电磁波吸收性能[J]. 陈祥凤,黄昊,吕波,李璞,刘顺华,段玉平,董星龙. 材料导报. 2009(10)
[8]碳纤维吸波材料的研究进展[J]. 吴红焕,王晓艳,张玲,朱冬梅,周万城. 材料导报. 2007(05)
[9]炭黑/钛酸钡复合颗粒的结构及吸波性能[J]. 陈晓东,王桂芹,段玉平,李伟平,刘顺华. 硅酸盐学报. 2006(12)
[10]高温吸波材料研究现状[J]. 罗发,周万城,焦桓,赵东林. 宇航材料工艺. 2002(01)
硕士论文
[1]短切碳纤维和炭黑的介电性能研究[D]. 吴红焕.西北工业大学 2007
本文编号：3371420
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
炭黑薄膜与钛酸钡复合粒子的TEM照片[7]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文33.2GHz（7~10.2GHz）；当涂层厚度为3mm时，反射损耗低于-10dB的频带宽为3.8GHz（11.2~15GHz），峰值为-14.3dB（见图1-2）。吴友朋等人[9]在纳米炭黑中添加微米碳化硅制备了一种新型的复合吸收剂，加入碳化硅使得炭黑／环氧树脂复合涂层的体电阻率和渗流阈值降低；在5％的炭黑中添加50％的碳化硅制备出了厚度为2mm的涂层，其在7.5~13.5GHz宽频范围内实现有效吸波，吸收峰值达-40dB。图1-1炭黑薄膜与钛酸钡复合粒子的TEM照片[7]图1-2碳包覆铁纳米颗粒/丙烯酸树脂的反射损耗曲线[8]碳纳米管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝、中空的一维纳米级管，具有特殊的螺旋结构、手征性和特殊的电磁效应，对微波和红外都表现出较强的宽带吸收性能，而且具有密度孝耐高温、介电性能可调、稳定性好等优点[10]。初步研究表明，碳纳米管的微波吸收特性与其化学组成、几何结构和生长过程等有着密切关系[11]，碳纳米管的介电常数较大，但磁导率较小；而在微波频率下，高的磁导率实部与虚部以及与之相适应的介电常数是构成宽频带吸波材料的基矗因此，常见的做法是添加其他材料来调节碳纳米管的电磁参数。碳纳米管基吸波
uang等人[13]将多壁碳纳米管与聚苯胺复合，复合结构展示出了优异的吸波特性，如图1-3所示，在8.8GHz下达到最大反射损耗-49.6dB，吸收频带为2GHz。岳立福等人[14]研究了碳纳米管/环氧树脂复合结构的吸波性能，将制备的管径为10~30nm、长度>1μm的碳纳米管与环氧树脂以质量比为8:100的比例复合后，浇铸在180mm×180mm×1.2mm的铝板上，当吸波涂层厚度为7mm时，材料具有良好的吸波性能：在10.08GHz和16.80GHz出现双吸收峰，对应的吸收衰减分别高达21.08dB和20.2dB，总带宽分别达到5.46GHz（R<-8dB）和11.20GHz（R<-5dB）。图1-3多壁碳纳米管/PANI的反射损耗曲线[13]石墨烯由于其独特的六元环电子共轭结构单元、二维材料特性、特殊的电磁波作用机制以及巨大的性能可调控工作表面，被认为是新一代最具潜力的吸波材料[15]。最近的研究表明，具有缺陷和残余含氧基团的还原氧化石墨烯（RGO）不仅可以改善阻抗匹配特性，加快能量转移到费米能级的速度，还能引入缺陷极化弛豫和组的基团的电子偶极子弛豫[16]，这些都是有利于电磁波的吸收。在Wang等人[17]的报导中，还原氧化石墨烯在7GHz时的吸收强度可达-6.9dB，比碳纳米管和石墨烯的吸收性能更优，但吸波性能依然很差。石墨烯对电磁波的吸收主要是通过介电损耗和电阻损耗，介电常数相对偏高，这就造成了阻抗不匹配的问题。近来，将二维石墨烯片合成三维石墨烯网络的研究取得了重大进展。和二维石墨烯片相比，三维石墨烯网络在保持二维石墨烯片优异性能的同时，由于内部具有均匀分布的孔隙，不仅具有更低的密度，而且有效介电常数相对变小，在较宽的频率范围内对入射波的电阻也小得多。Chen等人[18]第一次证实了宏观石墨烯泡沫材料（GF）的优异吸波性能。如图1-4所示，在泡沫结构中引入石墨烯导电网
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯复合吸波材料的研究进展及未来发展方向[J]. 贾琨,王东红,李克训,谷建宇,刘伟. 材料导报. 2019(05)
[2]碳基复合吸波材料研究进展分析[J]. 安锐,韦红余,何敏,周来水,梁晋华,谢迪,张志平,吴焕琦. 材料导报. 2017(21)
[3]晶须状多壁碳纳米管导电液及透明导电薄膜的研究[J]. 岳立福,孙晓刚,庞志鹏,吴小勇,聂艳艳,刘珍红. 人工晶体学报. 2016(02)
[4]碳基吸波材料的研究进展[J]. 李斌鹏,王成国,王雯. 材料导报. 2012(07)
[5]掺杂碳化硅对纳米炭黑导电和吸波性能的影响[J]. 吴友朋,刘祥萱,张泽洋. 表面技术. 2010(05)
[6]纤维复合吸波材料的研究进展[J]. 王祖鹏,于名讯,潘士兵,厉宁,刘永峙. 化工新型材料. 2010(04)
[7]碳包覆铁/丙烯酸树脂水性纳米复合涂料的制备及电磁波吸收性能[J]. 陈祥凤,黄昊,吕波,李璞,刘顺华,段玉平,董星龙. 材料导报. 2009(10)
[8]碳纤维吸波材料的研究进展[J]. 吴红焕,王晓艳,张玲,朱冬梅,周万城. 材料导报. 2007(05)
[9]炭黑/钛酸钡复合颗粒的结构及吸波性能[J]. 陈晓东,王桂芹,段玉平,李伟平,刘顺华. 硅酸盐学报. 2006(12)
[10]高温吸波材料研究现状[J]. 罗发,周万城,焦桓,赵东林. 宇航材料工艺. 2002(01)
硕士论文
[1]短切碳纤维和炭黑的介电性能研究[D]. 吴红焕.西北工业大学 2007
本文编号：3371420
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3371420.html
