本文選題：碳材料 + 聚芳醚酮��； 參考：《吉林大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：近些年,隨著電子電氣工業(yè)的快速發(fā)展,電磁輻射問(wèn)題日益嚴(yán)峻。電磁輻射不僅會(huì)對(duì)周圍電子設(shè)備產(chǎn)生干擾還會(huì)對(duì)人類以及其它生命組織的健康造成極大的威脅。在軍事領(lǐng)域,軍事目標(biāo)的雷達(dá)隱身在保證自身武器裝備安全的前提下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方目標(biāo)的快速精準(zhǔn)打擊。電磁波吸收材料,通過(guò)將電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能以及其它形式的能量,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的衰減與吸收,可以在很大程度上解決電磁污染以及雷達(dá)隱身問(wèn)題。因此,基于國(guó)防與電磁污染防護(hù)的需求,開發(fā)具有較寬的吸波頻帶、較大的吸收強(qiáng)度、輕薄的高性能吸波材料已經(jīng)迫在眉睫。目前,已經(jīng)開發(fā)出了多種具有一定吸波性能的材料,如非磁性金屬納米粒子(Ag和Au等)、磁性納米粒子(Fe、Co、Fe_3O_4、Co_3O_4、FeCo_2O_4和羰基鐵等)、導(dǎo)電聚合物(PANI和PPy等)、半導(dǎo)體材料(Zn O、Si C和Ti O2等)、碳材料(CNTs、CF、炭黑、石墨和石墨烯等)及其復(fù)合物。電磁波吸收材料主要包括兩個(gè)重要的組成部分,即吸波劑材料與基體材料。吸波劑為材料提供電磁損耗能力,基體主要起到粘結(jié)的作用。碳材料由于具有較低的密度、優(yōu)異的力學(xué)與電學(xué)性能和杰出的熱穩(wěn)定性能等方面的優(yōu)點(diǎn),在吸波材料領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)傳輸線理論,電磁波在吸波材料中的損耗一般主要通過(guò)兩種形式,即介電損耗與磁損耗。但是,對(duì)于單一的介電損耗或者磁損耗材料而言,由于難以實(shí)現(xiàn)較好的電磁匹配,其吸波性能往往較差。所以,單一組分的碳材料吸波性能往往難以滿足“寬頻吸收(寬)、輕質(zhì)(輕)、薄厚度(薄)、強(qiáng)損耗(強(qiáng))”的要求,也限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。而將碳材料與磁性損耗組分結(jié)合起來(lái),一方面可以改善材料的電磁匹配性能,另一方面還可以為材料帶來(lái)磁損耗特性從而增強(qiáng)材料對(duì)電磁波的損耗能力。聚芳醚酮特殊的全芳香結(jié)構(gòu),賦予其優(yōu)異的力學(xué)性能、機(jī)械性能、熱學(xué)性能和耐溶劑性能,在航空航天以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著較為廣泛地應(yīng)用。由于其杰出的性能,在吸波材料領(lǐng)域,聚芳醚酮作為基體使用同樣具有較大的優(yōu)勢(shì)。但是,聚芳醚酮在常見的溶劑中溶解性能較差,所以往往很難通過(guò)溶液共混的方式制備聚芳醚酮基復(fù)合材料。本論文從組成與形貌設(shè)計(jì)的角度出發(fā),先后設(shè)計(jì)制備了三種碳基吸波劑材料,以獲得“寬、輕、薄、強(qiáng)”的吸收特性。進(jìn)一步選用具有優(yōu)異吸波性能的吸波劑與可溶性可交聯(lián)型聚芳醚酮通過(guò)溶液共混的方式進(jìn)行復(fù)合,制備了聚芳醚酮基復(fù)合吸波材料,并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)以及性能進(jìn)行了研究。首先,第三章中利用層層包覆法,在碳纖維的外層先后修飾了Co_(0.2)Fe_(2.8)O_4納米粒子層和導(dǎo)電聚苯胺層,得到碳纖維基層層包覆吸波劑(CF/Co_(0.2)Fe_(2.8)O_4/PANI),結(jié)構(gòu)與形貌表征證明了制備的材料具有符合預(yù)期的組成與形貌。在復(fù)合吸波劑中,Co_(0.2)Fe_(2.8)O_4納米粒子為材料帶來(lái)磁損耗的能力,而PANI層在防止Co_(0.2)Fe_(2.8)O_4納米粒子被氧化的同時(shí)還可以增強(qiáng)材料的介電損耗能力。隨著包覆層數(shù)的增加,引入較多界面的同時(shí)還可以進(jìn)一步增加電磁波與吸波劑之間的相互作用,有利于入射的電磁波被快速損耗。同時(shí),層層包覆還使材料的電磁匹配特性以及電磁損耗能力獲得了改善,因此CF/Co_(0.2)Fe_(2.8)O_4/PANI對(duì)Ku波段的電磁波表現(xiàn)出較強(qiáng)的損耗能力。當(dāng)厚度為4.1 mm時(shí),CF/Co_(0.2)Fe_(2.8)O_4/PANI對(duì)頻率為12.7 GHz的電磁波最大反射損耗達(dá)到了-38.2 d B,并且當(dāng)厚度在3.1~4.1 mm之間調(diào)節(jié)時(shí),材料對(duì)電磁波的Ku波段最大的反射損耗值均超過(guò)-20 d B,是一種優(yōu)秀的Ku波段吸波劑材料。雖然CF/Co_(0.2)Fe_(2.8)O_4/PANI表現(xiàn)出了對(duì)Ku波段的電磁波優(yōu)秀的吸收性能,但是其吸收頻帶仍然相對(duì)較窄,并且厚度相對(duì)較大,難以完全滿足“寬、輕、薄、強(qiáng)”的要求。因此,第四章繼續(xù)從組成與形貌設(shè)計(jì)的角度對(duì)吸波劑進(jìn)行優(yōu)化以進(jìn)一步拓展吸收頻帶的寬度。利用預(yù)修飾和后修飾的方法,設(shè)計(jì)合成了兩種稻殼基多孔碳/軟磁性粒子復(fù)合吸波劑(RHPC/Fe、RHPC/Co)。多孔結(jié)構(gòu)在減質(zhì)的同時(shí)還可以通過(guò)多重反射和散射增強(qiáng)電磁波與材料之間的相互作用,有利于電磁波的快速損耗;軟磁性粒子具有比超順磁納米粒子更強(qiáng)的磁損耗能力,可以為材料提供較強(qiáng)的磁損耗特性,并且介電損耗組分與磁損耗組分之間的協(xié)同效應(yīng)也有利于入射的電磁波被快速損耗。此外,材料還具有相對(duì)較好的電磁匹配特性,保證了電磁波可以較好地進(jìn)入吸波材料內(nèi)部。因此,RHPC/Fe和RHPC/Co均表現(xiàn)出了優(yōu)秀的吸波性能。RHPC/Fe在厚度為1.4 mm時(shí)對(duì)電磁波的最大損耗達(dá)到-21.8 d B,吸收頻帶寬度達(dá)到5.6 GHz,表現(xiàn)出了寬頻吸收的特性;RHPC/Co在厚度為1.8 mm時(shí),對(duì)電磁波的最大損耗達(dá)到了-40.1 d B,吸波頻帶的寬度為2.7 GHz,具有強(qiáng)吸收的特性,二者在高性能吸波劑領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢(shì)。雖然RHPC/Fe和RHPC/Co能夠在較小的厚度內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的快速損耗,但是RHPC/Fe的吸收強(qiáng)度相對(duì)較小,而RHPC/Co的吸波頻帶相對(duì)較窄,仍然難以滿足優(yōu)秀吸波劑的全部要求。因此,第五章基于第四章的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),仍然進(jìn)一步地優(yōu)化材料的形貌與組成,以期獲得具有“寬、輕、薄、強(qiáng)”吸收特性的吸波劑材料。通過(guò)原位合成法,利用液致相分離-高溫?zé)峤夥?制備了具有類蠕蟲孔洞結(jié)構(gòu)的多孔碳/鐵磁性納米粒子復(fù)合吸波劑(WPC/MNPs-80)。多孔結(jié)構(gòu)有利于減質(zhì)并增強(qiáng)電磁波與吸波劑之間的相互作用,而鐵磁性納米粒子能夠?yàn)椴牧咸峁┹^強(qiáng)的磁損耗能力。研究表明,在碳化的過(guò)程中,Co_(0.2)Fe_(2.8)O_4被還原為鐵和鈷納米粒子,二者在為材料提供磁損耗特性的同時(shí)還可以催化碳化過(guò)程中碳的結(jié)晶。碳的結(jié)晶度的增加使材料的介電損耗能力明顯增強(qiáng),并且材料中較強(qiáng)的極化作用也進(jìn)一步增加了材料的電磁損耗能力。因此,WPC/MNPs-80表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸波性能。當(dāng)厚度為1.5和2.0 mm時(shí),WPC/MNPs-80對(duì)電磁波最大反射損耗分別達(dá)到了-29.2 d B和-47.9 d B,反射損耗超過(guò)-10 d B的頻帶寬度分別達(dá)到5.2 GHz和4.1 GHz。因此,WPC/MNPs-80能夠很好地滿足“寬、輕、薄、強(qiáng)”的要求,在高性能電磁波吸收材料領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。前一章制備的多孔碳/鐵磁性納米粒子復(fù)合吸波劑(WPC/MNPs-80)具有優(yōu)異的吸波性能,第六章選用其作為吸波劑,與聚芳醚酮基體進(jìn)行復(fù)合制備聚芳醚酮基復(fù)合吸波材料(6F-PAEK-Crosslinking@WPC/MNPs-80)。為了能夠通過(guò)溶液共混的方式制備復(fù)合膜材料并解決在成膜過(guò)程中吸波劑粒子的沉降問(wèn)題,首先設(shè)計(jì)合成了含有氨基與六氟異丙基基團(tuán)的可溶性可交聯(lián)型聚芳醚酮(6F-PAEK-NH2)。在成膜的過(guò)程中,聚芳醚酮基體交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成在解決吸波劑粒子沉降問(wèn)題的同時(shí)還賦予了復(fù)合吸波材料優(yōu)秀的耐溶劑性能、熱穩(wěn)定性能以及力學(xué)性能。6F-PAEKCrosslinking@WPC/MNPs-80對(duì)電磁波也具有較強(qiáng)的吸收性能,在厚度為1.4 mm時(shí),對(duì)電磁波最大的反射損耗達(dá)到了-33 d B,吸收頻帶的寬度為4.8 GHz,而當(dāng)厚度為1.8 mm時(shí),最大的反射損耗為-44.5 d B,吸收頻帶的寬度達(dá)到3.1 GHz。因此,制備的聚芳醚酮基復(fù)合膜(6F-PAEK-Crosslinking@WPC/MNPs-80)是一種綜合性能優(yōu)異的電磁波吸收材料,在高性能電磁波吸收材料領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力,有望成為一種耐高溫的輕薄型寬頻強(qiáng)吸收電磁波吸收材料。
[Abstract]:In recent years , with the rapid development of electronic and electrical industry , electromagnetic radiation is becoming more and more severe . Electromagnetic radiation can not only produce interference to the surrounding electronic equipment but also pose a great threat to the health of human beings and other life organizations . In this paper , three kinds of carbon - based composites have been prepared by blending with soluble cross - linkable poly ( aryl ether ketone ) . A porous carbon / ferromagnetic nano - particle composite wave absorbing agent ( WPC / MNPs - 80 ) is prepared through in - situ synthesis . The width of the absorption band is 4.8 GHz , and when the thickness is 1.8 mm , the maximum reflection loss is - 44.5 dB , the width of the absorption band reaches 3.1 GHz .
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：1914915