生物基金属/碳复合高性能吸波材料的结构与性能调控研究

来源 :大连工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:samzy
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随着电磁技术在军事及民用产品中的应用迅速增加,电磁污染已经成为继空气污染、水污染和噪音污染之后的第四大污染。电磁辐射不仅对人体健康产生威胁,而且对电子设备会造成巨大损害。因此开发具有吸收电磁波功能的材料去除电磁污染问题已成为近年来研究的热点。然而,对于厚度薄、质量轻、宽频带及强吸收电磁波吸收材料的研究任然需要不断的深入。生物基/金属碳复合材料在电磁波吸收领域也有着较为广泛的研究。开发简单、来源广、经济的合成工艺和方法以及优良的性质等优点使其备受青睐。本论文以生物质海藻酸钠为例,利用海藻酸钠和金属盐作为前驱体通过采用溶胶-凝胶和高温碳化方法制备出了两种不同的生物基金属碳复合材料,并对其吸波性能进行研究。通过对这两种材料的比较,我们发现复合式海藻酸钠基磁性碳球吸波材料具有更广阔的应用前景。生物质海藻酸钠在氮气保护下,经过高温碳化生成生物碳,金属盐经过碳热还原能够原位生成磁性纳米颗粒。依据这两种特性,通过金属离子与海藻酸钠交联形成凝胶然后碳化制备带磁性的多孔型生物质碳材料,利用其特殊的形貌结构及较大的各向异性值,来加强对电磁波吸收。实验一制备了磁性多孔碳生物基复合材料Fe-SA-X(X代表碳化温度),研究了不同碳化温度(600,700,800,900℃)对材料微观结构及吸波性能的影响。随着温度的升高,吸波性能着渐减弱,说明高温严重影响着材料的微观结构。当碳化温度为600℃时得到的磁性多孔碳复合材料Fe-SA-600具有较优的电磁波吸收性能,最大反射损耗值(RL)达到-24 dB,吸收超过-10 dB的频宽在4.8 GHz左右,对应的匹配厚度只有1.5 mm,良好的电磁波吸收性能与特殊的孔结构和较高的各向异性能密不可分。在实验一的基础上加以改进,实验二引入离子交换机制,通过引入带有磁性的碳纳米管,然后在镍离子中进行交联形成凝胶,最后通过高温碳化得到复合式海藻酸钠基磁性碳球SA-Ni-(Fe3O4/CNTs)-X(X代表Fe3O4/CNTs的质量分数)。依据实验一的探究结果,实验二中同样在600℃条件下进行碳化,通过调节带有磁性碳纳米管的量来优化电磁波吸收性能。结果显示SA-Ni-(Fe3O4/CNTs)-25%的吸波性能呈现最优,最大吸收强度(RL)达到-32dB,有效频带宽为3.2GHz。这得益于多孔碳与金属颗粒及Fe3O4/CNTs的相互协同作用,在600℃下三者可以较好的进行阻抗匹配,使更多的电磁波进入复合材料内部通过多重反射和散射将其损耗。磁损耗的Ni和Fe3O4、介电损耗的生物碳和CNTs复合制备成的三元复合型材料表现出了优秀的吸波性能,其有望成为一种新型的微吸波材料。
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