【摘要】：電磁波吸收材料能夠?qū)⑷肷涞碾姶挪ㄞD(zhuǎn)化為熱能等其它形式能量耗散,從而使其強(qiáng)度衰減的一類(lèi)功能性材料。碳納米材料(包括石墨烯、碳納米管和多孔碳等),具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、易于調(diào)控的介電性質(zhì),可以作為其它材料載體,成為近年來(lái)吸波材料研究的熱點(diǎn)。但碳納米材料因阻抗不匹配或電磁損耗不足,吸波性能尚且達(dá)不到應(yīng)用需求。為了提高碳材料的微波吸收性能,本文從提高電磁損耗,改善阻抗匹配的角度出發(fā),構(gòu)建了不同表面修飾碳納米管、ZnO@多孔碳核殼結(jié)構(gòu)、Co_3ZnC納米粒子/多孔碳、具有不同微觀結(jié)構(gòu)的ZnO/石墨烯復(fù)合材料。通過(guò)調(diào)控不同復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特征研究了復(fù)合材料成分比例、石墨化程度、界面面積、微觀結(jié)構(gòu)以及表面官能團(tuán)等主要因素對(duì)于碳納米材料介電性質(zhì)、阻抗匹配特性和微波吸收性能的影響。對(duì)比研究碳納米管的表面狀態(tài)對(duì)其電磁參數(shù)、阻抗匹配和微波吸收性能的影響。通過(guò)強(qiáng)酸處理在多壁碳納米管表面引入了官能團(tuán)和缺陷,同時(shí)水熱處理原位合成納米Fe_3O_4修飾的碳納米管。發(fā)現(xiàn)碳納米管表面官能團(tuán)和Fe_3O_4能夠通過(guò)降低材料電導(dǎo)損耗、增加極化損耗,來(lái)調(diào)節(jié)材料的介電常數(shù),提高材料的綜合微波吸收性能。其中,Fe_3O_4表面功能化碳管的最大反射損失在20 wt%時(shí)達(dá)到-53.3 dB,最大吸收帶寬達(dá)到5.2 GHz。構(gòu)建殼核結(jié)構(gòu)多組分復(fù)合材料以提高阻抗匹配特性和微波吸收性能。以原位晶體生長(zhǎng)的ZnO膠體為核和雙層沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料(ZIFs)為殼,通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)物的濃度獲得了均勻的ZnO@ZIF核-殼結(jié)構(gòu),退火后,雙層ZIFs涂層熱解形成負(fù)載Co_3ZnC納米顆粒的N摻雜多孔碳?xì)�。ZnO@多孔碳/Co_3ZnC核殼微球增加了界面損耗、磁性損耗等損耗機(jī)制,并提高了阻抗匹配,與單一ZnO及由ZIFs熱解的多孔碳相比具有更優(yōu)異的電磁波吸收能力,當(dāng)樣品厚度為2.2 mm時(shí),反射損耗可達(dá)到-62.9 dB,有效帶寬為5.5 GHz。為研究納米碳材料的石墨化程度,界面面積對(duì)電磁參數(shù)、阻抗匹配特性和微波吸收性能的影響。通過(guò)添加Co~(2+)和Zn~(2+)金屬離子制備ZIFs,進(jìn)一步熱解合成了多孔碳/CoZn合金納米粒子復(fù)合材料。通過(guò)增加反應(yīng)物中Zn和Co的摩爾比,降低多孔碳石墨化程度和增加多孔碳的比表面積。而Zn含量提高到一定程度,比表面積反而因石墨化程度不足快速下降。復(fù)合材料的介電常數(shù)會(huì)隨比表面積的增加而增加。具有中等比表面積和石墨化程度的BM 0.2樣品顯示出最優(yōu)異的電磁波吸收特性。當(dāng)樣品厚度僅為1.5 mm時(shí),其最小RL可達(dá)到-53.2 GHz。最小反射損失在樣品厚度為4.5 mm時(shí)為-59.7 dB,樣品厚度為2.0 mm時(shí)的最大有效帶寬為5.3GHz。復(fù)合材料的微波吸收性能比單一金屬ZIFs熱解的碳材料有顯著提高,這歸因于多孔碳中豐富的碳-空氣界面增強(qiáng)的界面極化,以及因復(fù)合磁性金屬離子提高的阻抗匹配的協(xié)同作用�；谝陨媳砻娓男院臀⒓{米構(gòu)造提高復(fù)合材料吸波性能的機(jī)制、原理及優(yōu)勢(shì),進(jìn)而通過(guò)在有機(jī)溶劑中原位生長(zhǎng)及熱處理的方法構(gòu)建了ZnO納米晶/石墨烯復(fù)合材料,研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5、10、15、20 wt.%)的ZnO納米晶/石墨烯復(fù)合材料的微波吸收性能。發(fā)現(xiàn)15wt.%的ZnO納米晶/石墨烯復(fù)合材料具有最優(yōu)異的微波吸收性能,最小反射損耗在15.2 GHz時(shí)達(dá)到-54.2 dB,有效吸收帶寬達(dá)到6.7 GHz,優(yōu)化樣品厚度僅為2.4 mm。由于石墨烯阻抗匹配的提高,其吸波性能相比純ZnO納米晶和純石墨烯有很大程度的提高。為了進(jìn)一步解決ZnO納米晶/石墨烯復(fù)合材料的團(tuán)聚問(wèn)題,通過(guò)在水溶液中原位生長(zhǎng)和熱處理的方法合成了微米花/納米晶ZnO修飾的石墨烯,使ZnO納米晶體均勻分散于石墨烯片層上,而ZnO微米花穿插在石墨烯片層中。通過(guò)改變反應(yīng)物的濃度,獲得不同ZnO和石墨烯質(zhì)量比(9:1,8:1,5.5:1,2:1)的復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部和虛部隨ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低而增加。質(zhì)量比為8:1時(shí)樣品顯示出最突出的微波吸收特性,最小反射損失在樣品厚度4.5 mm時(shí)達(dá)到-77.5 dB,最大有效帶寬在樣品厚度為3.5mm時(shí)達(dá)到6.9 GHz。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB33;TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

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