论文部分内容阅读
碳质类材料凭借其结构可设计性强、质轻、介电性能良好、化学稳定性好等优势成为电磁吸波领域的研究热点。然而,纯碳质类材料因拥有良好的导电性能使其阻抗匹配性能较差,从而无法发挥其损耗能力,对电磁波实现高效衰减。近来,电磁波吸收理论和材料制备方法的发展表明合适的材料组分及结构设计有利于改善纯碳材料的阻抗匹配特性和电磁波衰减能力。然而,通过组成成分和结构设计提高材料的吸波性能仍是极具挑战的任务,且其对吸波性能的影响和作用机制还有待进一步深入。对此,本文提出采用去模板法和高温热处理工艺制备碳基材料,通过工艺调整实现对材料成分组成调控,以获得具有良好阻抗匹配以及强损耗能力的碳基吸波材料;同时通过引入结构可设计的导电高分子材料,构筑具有特殊微结构的碳基复合吸波材料,深入探究材料组成、形貌结构对其吸波性能的影响及作用机制。最终将碳基复合吸波材料作为功能剂,与树脂复合获得吸波功能涂料并探索其应用。具体研究内容如下:首先,以原硅酸四乙酯、间苯二酚以及甲醛为原料,采用水热、刻蚀以及高温热处理工艺制备了具有蘑菇菌盖状结构的碳材料(Mushroom cap carbon,MRC-C)。通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面积分析仪、拉曼光谱仪、傅里叶红外光谱仪以及X射线光电子能谱仪等表征方法对材料进行多维度分析,探讨了热处理温度对材料成分组成及形貌结构的影响。利用矢量网络分析仪对材料的电磁参数进行测试,探究材料组成及形貌结构变化对其吸波性能的影响。结果表明:试样呈现明显的蘑菇菌盖状形貌特征,且随热处理温度的提高,MRC-C试样的比表面积、石墨化程度及碳和氮元素在体系中的含量均得到提高;当热处理温度为900℃时,制备的MRC-C试样显示优异的吸波性能。在2-18 GHz范围内,样品厚度为1.6 mm时,其在14.86 GHz处的最小反射损耗值达-42.40 dB,有效吸波频宽(反射损耗值小于-10 dB)为12.98 GHz～17.30GHz。其次,为进一步提高纯碳材料阻抗匹配特性,强化吸波材料的极化效应,提高对电磁波的损耗能力。在上述研究的基础上,通过原位聚合法在MRC-C材料表面引入导电聚苯胺(PANI)纳米阵列组分,制备获得MRC-C@PANI复合吸波材料。研究对MRC-C@PANI复合吸波材料的形貌、结构以及电磁参数进行表征和测试分析,并探讨了 MRC-C@PANI复合吸波材料的吸波机理。结果表明:通过原位聚合法在MRC-C材料表面引入聚苯胺纳米阵列并未对碳材料结构造产生影响;同时,聚苯胺纳米阵列的引入能有效调节MRC-C材料的电磁参数,进而使MRC-C@PANI复合吸波材料的阻抗匹配得到有效改善,最终实现其吸波性能的提升。在2-18 GHz范围内,厚度为2.4 mm时,MRC-C@PANI复合吸波材料在频率为9.58 GHz处的最小反射损耗值可达-43.1 dB,对应有效吸收频宽为8.52 GHz～11.44 GHz。最后,研究提出以MRC-C@PANI复合吸波材料为吸波功能剂,水性环氧树脂涂料为基体,通过物理机械复合制备水性环氧树脂基功能复合吸波涂料,并利用浸渍法与强芯毡复合制成吸波毡(microwave absorption felt,MAF)。研究探讨了涂料中吸波剂含量对MAF形貌结构、力学性能、电磁参数以及吸波性能的影响,并分析了其相应的电磁波吸收机理。结果表明:随着涂料中吸波剂含量的增加,MAF的表面变得粗糙,力学性能与电磁参数得到有效提高。当吸波剂含量为10 wt%时,MAF试样厚度为1.4 mm,在频率为15.12 GHz处其最小反射损耗可达-55.90 dB,有效吸收频宽可达4.87 GHz(13.15 GHz～18.00 GHz)。由此可见,本课题研究为新型高性能吸波材料的发展提供了新的设计思路,对进一步推进新型吸波材料的实用化进程提供了一定的理论依据及实验参考。