MOFs衍生碳基复合材料的制备及其吸波性能研究

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电子产业的迅速发展,导致电磁污染问题日益严重,因此对新型高效吸波材料的组分选型、结构设计和应用的基础研究日益迫切。金属有机框架(MOFs)材料具有纳米孔和开放通道结构,经热解可以制备金属或者金属氧化物纳米颗粒均匀镶嵌的多孔碳复合材料。碳纳米管(CNT)和还原氧化石墨烯(r GO)由于质轻、结构独特和介电性能优异等特点成为良好的电阻损耗型吸波材料;因此,将CNT或r GO与磁性金属基MOFs衍生碳材料复合,二者协同构筑导电网络有利于克服吸波材料吸收频带窄、吸收强度低等缺点,在电磁污染控制新型材料研究方面具有重要的理论意义和应用价值。本论文主要研究内容和结果如下:(1)低维碳支撑的Co Fe合金@C纳米复合材料的制备及吸波性能研究。分别引入二维(2D)结构r GO和一维(1D)结构CNT作为碳载体原位生长Zn Co-MOFs,进一步热解制备低维碳支撑的磁性量子点状Co Fe合金@C纳米复合材料。r GO和CNT协同构建的导电网络加强了阻抗匹配和电磁衰减,赋予Co Fe@C优异的电磁波吸收性能。900oC退火后得到的r GO支撑的Co Fe@C复合材料(r GO-Co Fe@C-900),在匹配厚度为3.0 mm时最小反射损耗值为?36.08 d B,且3.5 mm时有效吸收带宽(反射损耗值<?10 d B)为5.17 GHz。此外,CNT支撑的Co Fe@C纳米复合材料(CNT-Co Fe@C-900)由于具有连续的三维(3D)导电网络而表现出最佳的电磁波吸收性能,厚度3.0 mm时最小反射损耗为?40.00 d B,并且匹配厚度为2.0 mm时,有效吸收带宽可达到5.62 GHz。更多地,低维碳支撑的Co Fe合金@C纳米复合材料表现出明显优于之前所报道的同类复合型吸波材料的比反射损耗值。(2)3D碳纳米管阵列(CNT As)负载Co纳米复合材料的制备及吸波性能研究。将化学气相沉积(CVD)法制备的3D CNT As功能化处理后原位生长ZIF-67,再经不同温度热处理得到“冰糖葫芦”串状CNT As@Co纳米复合材料。研究表明CNT As@ZIF-67经高温热解后,由于改善了CNT As的阻抗匹配,明显增强了复合材料的吸波性能。500oC热处理CNT As@ZIF-67后所得样品(CNT As@Co-500)表现出最佳电磁波吸收性能,在匹配厚度为5.5 mm时的最小反射损耗为?36.86 d B,2.5 mm时反射损耗值为?33.94 d B,且有效吸收带宽可达到5.78GHz。另外,CNT As@Co-500还表现出优异的热导率(9.25 W m?1K?1),优于已报道的大部分同类CNT基热界面材料的热扩散性能。CNT As@Co纳米复合材料优异的吸波和导热性能得益于特殊的3D串状纳米结构以及不同组分之间的有效协同。低维及多维碳材料支撑的MOFs衍生复合材料的组装可以实现对电磁波的高效吸收,本论文系统地研究了不同微观结构对吸波性能的影响,为新型MOFs基吸波材料的设计合成提供了新的研究思路。
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