碳基复合材料的制备及其微波吸收性能研究

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近年来,随着电子信息技术的飞速发展,电磁污染和电磁辐射问题日趋严重,电磁波吸收材料在军事作战、设备抗干扰、人体健康等领域的作用越来越突出。新型微波吸收材料应满足薄、轻、宽、强的要求,以此为目标,本文制备了几种碳基复合材料,并对其微波吸收性能进行了研究,系统探究了材料组分、结构与吸波性能之间的构效关系,提出了可能的微波吸收机理。以聚多巴胺(PDA)为碳源,采用MOFs自模板的方法,在ZIF-67纳米立方体的表面包裹PDA,在氮气气氛中煅烧后,制得立方中空的Co/N/C复合材料,继而在其表面均匀负载二维Mn O2纳米片,最终产物记为Co/N/C@Mn O2,并首次用作电磁波吸收材料进行研究。通过XRD、XPS、SEM、TEM、矢量网络分析仪等测试技术,对样品进行了晶体结构、微观形貌、元素组成、电磁参数和吸波能力的表征。研究结果表明,通过引入分级Mn O2纳米片和调节填料负载,可以有效地调节Co/N/C材料过高的介电常数,实现良好的阻抗匹配和显著的介电损耗,从而提高材料的电磁波吸收性能。Co/N/C@Mn O2复合材料在石蜡基体中填料量为15 wt%时,有效吸波带宽为5.5 GHz,最佳反射损失值为-58.9 d B。值得注意的是,在1.5-5 mm范围内调整吸波厚度,材料的反射损耗峰值均超过-20d B,若干厚度下的RL值甚至高于-50 d B。微波吸收性能的增强归因于介电损耗、磁损耗和多次反射散射损耗以及独特的中空结构、多种有效组分等多因素的协同作用。以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为碳源,乙酸钴和乙酸镍为原料,采用溶剂热自组装和一步碳化磷化的方法制备三维花状的Co Ni-P/C复合材料,并将其首次应用到微波吸收领域。利用SEM、TEM、XRD、Raman、XPS等技术,对所得样品进行了微观结构、晶体结构、元素分布的表征,利用矢量网络分析仪测定电磁参数,分析样品吸波性能。详细探究了碳化磷化温度对吸波材料化学组成及微波吸收性能的影响,不同退火温度下(300℃,400℃,500℃)产生的样品分别标记为Co Ni-P/C-300,Co Ni-P/C-400和Co Ni-P/C-500。研究结果表明,与Co Ni-P/C-400和Co Ni-P/C-500样品相比,Co Ni-P/C-300样品的电磁波吸收性能最佳。这是因为Co Ni-P/C-300样品中的多种有效组分、多重界面和独特的3D花型结构有助于增强介电损耗、磁损耗、多重反射和散射损耗以及实现良好的阻抗匹配,从而增强吸波性能。当Co Ni-P/C-300复合吸波材料在石蜡基质中填料量为15wt%,厚度为2.1 mm时,在频率为12.56 GHz处的最佳反射损耗达到-65.5 d B。此外,通过在1.5到5.0 mm范围内调整吸波厚度,该材料在5.5-18 GHz的宽频范围内实现了90%以上的微波吸收(RL<-10 d B)。
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