MOFs衍生纳米复合材料的构建及其电磁波吸收性能研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hyslst
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电子科技和无线电通讯技术的飞速发展不可避免的带来了电磁污染问题,电磁污染不仅影响着人类和动植物的健康,同时也影响用于科学、医学等精密仪器设备的正常工作,甚至给国防安全也带来了一定的威胁。因此,发展电磁防护材料减少电磁污染带来的问题变得尤为迫切。金属有机骨架材料(MOFs),是由金属和有机物配位形成的多孔晶体材料,具有特殊的物理和化学性质在多个科学领域都受到广泛的重视。在电磁波吸收领域,MOFs的衍生物碳/金属氧化物/金属作为一种新兴的吸波材料,具有制备方法简单、稳定性好、孔隙度高、比表面大等优点,并且MOFs衍生物中的磁性物质具有均匀分散的特点,因此被高度关注。然而,单纯的MOFs衍生物组分作为吸波材料仍然存在许多局限性,例如,吸波层厚度厚、基体中添加量大、吸波性能不足等,难以满足作为高效吸波材料的需要,因此,以MOFs及其衍生物为基础制备复合型吸波材料具有重要的意义。在本文中,首先以具有类沸石结构的ZIF系列MOFs和碳材料以及陶瓷材料构建复合型材料;然后,研究该类复合材料煅烧前、后物质的结构和组成成分发生的变化;最后,通过分析复合材料的电磁参数讨论它们的吸波性能和吸波机理。论文主要的研究内容和结果如下,(1)MOFs衍生2D杂化复合材料的构建及其电磁波吸收特性研究复合材料中界面效应的形成对提高电磁波的吸收具有重要的意义。本工作对于复合材料的制备分为两个步骤,第一,利用原位生长的方法,控制Co-MOF在氧化石墨烯(GO)纳米片表面生长;第二,采用控制温度变化过程对MOFs/GO进行高温煅烧处理。详细分析了煅烧前后复合材料的微观形貌变化,以及复合材料煅烧前后的结构特征和组成成分;深入分析了复合材料的电磁参数和它们的电磁波吸收性能,结果表明,MOFs/GO的衍生物在基体中填充率仅为6%的情况下,表现出高效的电磁波吸收,RL<-10 d B时,其有效吸收宽度可达7.72 GHz,覆盖了整个X波段(8-12 GHz)的电磁波,相较于其它电磁波吸收材料,它表现出吸收宽度宽,基体中的添加比例低等优点。产生良好吸波性能的原因是MOFs衍生物和RGO界面效应增加了材料中各组分间电子的转移,以及复合材料良好的阻抗匹配和介电性能。(2)CoFe2O4/RGO/CoFe2O4三明治夹层结构与电磁波吸收特性的关系合理设计导电与磁性相结合以及具有良好的界面效应的纳米复合材料在电磁波吸收领域具有重要意义。到目前为止,在还原氧化石墨烯(RGO)表面均匀覆盖磁性组分仍然很困难,尤其是通过MOFs热解策略,因为MOFs的颗粒尺寸一般比较大,生长后很难均匀的分布在RGO的表面。在此,我们通过在Co-MOFs前驱体合成过程中加入Fe3+,成功将MOFs均匀地沉积在GO上,形成具有三明治形貌结构的MOFs/GO/MOFs。然后,采用控制温度煅烧的方法,将MOFs/GO/MOFs转化为夹层CoFe2O4/RGO/CoFe2O4,通过电镜可以清楚地观察到,热处理后MOFs衍生物中的磁性组分CoFe2O4在RGO表面分布均匀。通过测试分析,CoFe2O4/RGO/CoFe2O4复合材料表现出优异的电磁波吸收性能,其中在厚度为2.6 mm下,有效吸收宽度达到7.08 GHz,具有厚度薄和宽度宽等特性。研究认为,CoFe2O4/RGO/CoFe2O4复合材料的介电组分和磁组分的成功获得,以及两者之间的有效结合和相互协同作用,使材料具有良好的介电损耗和磁损耗,此外,增加的界面效应也对电磁波的损耗具有重要作用。(3)SiC纳米线串联MOFs及其衍生物在电磁波吸收中的应用新型纳米复合材料的结构设计被认为是调节材料吸波性能的有效途径之一。在本工作中,我们利用原位生长的策略构建出类似于烤串结构的MOFs/SiC NWs复合吸波材料。首先,使用一维SiC纳米线将MOFs晶体颗粒串联在一起;然后,通过热处理工艺,分别在空气和氩气环境中对MOFs/SiC NWs高温处理;最后利用矢量网络分析仪对煅烧后的复合材料进行测试分析,发现它们均表现出优秀的电磁波吸收效果。我们详细地探索了这些复合材料的生长过程和煅烧过程,以及电磁波吸收增强的机理。通过比较发现,由于采用不同的煅烧过程,MOFs/SiC NWs在空气中煅烧后,MOFs晶体表现为收缩的多面体;氩气环境中煅烧后,MOFs晶体则分解成许多小颗粒。电磁波吸收性能增强的原因是复合材料介电常数降低、长径比增大和界面极化增强等因素的综合作用。本研究为纳米材料的多维构建以及合理设计和应用新型电磁波吸收材料开辟了道路。(4)MOFs衍生复合材料网络结构的构建及其电磁波吸收特性研究具有高连通性网络结构的复合材料对电磁辐射的衰减具有很好的作用。在本研究中,首先,我们利用具有良好电子传输能力的多壁碳纳米管(MCNTs)作为连接线,MOFs为连接点,构建MOFs-MCNTs高效连接的三维网络复合材料;然后,采用控制温度变化过程,在500℃氩气气氛下煅烧三维网络结构的MOFs-MCNTs复合材料;最终形成具有高效电磁波吸收性能的三维网络结构的Co/C-MCNTs复合材料。通过深入探讨和分析复合材料对电磁波吸收增强的原因,我们认为网络结构对于材料内电子的转移和运动具有重要的支持作用,以及合适的介电性能对于调节复合材料的阻抗匹配,从而获得良好的吸波性能具有重要意义。本研究对设计新型结构特性的MOFs基复合材料具有重要的指导意义。
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