遺態(tài)功能復(fù)合材料的制備及電磁性能研究.pdf

1、近年來(lái)，由于電磁干擾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，因而研究新型輕質(zhì)、高效、寬頻以及能滿足不同環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合的電磁屏蔽和吸波材料已成為重要而且迫切需要解決的問(wèn)題。設(shè)計(jì)研究新型電磁屏蔽/吸波材料要求基于電磁波的傳播及電磁波與物體的相互作用原理，結(jié)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、組分與功能的內(nèi)在關(guān)系，構(gòu)造形態(tài)、組分、結(jié)構(gòu)屏蔽/吸波相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，研制多種屏蔽/吸波機(jī)制于一體的新型材料。而當(dāng)前納米材料和多孔結(jié)構(gòu)的前沿研究為新型電磁屏蔽/吸波材料的設(shè)計(jì)和制備提供了新的思路和

2、途徑。在自然界中，植物材料秉承自然界億萬(wàn)年進(jìn)化的結(jié)果，具有精細(xì)的微米、納米分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)?？梢栽O(shè)想通過(guò)選取具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的植物材料為模板，利用化學(xué)物理耦合處理方法遺傳植物材料原有的精細(xì)形貌和多孔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)調(diào)控工藝改變和組裝各種所需的納米結(jié)構(gòu)和成分，可制備既具有植物材料天然的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，又有人為賦予特性的新型電磁屏蔽和吸波材料。 基于上述學(xué)術(shù)思想，本研究選取三種典型植物材料為模板，利用化學(xué)物理耦合處理方法，遺傳了植物材料原有的

3、精細(xì)形貌和多孔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)調(diào)控工藝，控制并組裝碳/金屬納米結(jié)構(gòu)，從而制備了具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和碳/金屬納米結(jié)構(gòu)特征的遺態(tài)功能復(fù)合材料。根據(jù)應(yīng)用目的不同，分別利用遺態(tài)功能復(fù)合材料為填料制備了酚醛基復(fù)合材料和石蠟基復(fù)合材料。利用熱失重分析法和X射線衍射法分析制備過(guò)程的成分反應(yīng)和變化；運(yùn)用掃描電鏡、透射電鏡分別研究微米孔、碳納米結(jié)構(gòu)組織與形貌；利用氮吸附法表征納米孔結(jié)構(gòu)；用四探針法和波導(dǎo)管法分別測(cè)定酚醛基復(fù)合材料的直流電導(dǎo)率和X波段電磁屏蔽效能

4、；利用同軸法測(cè)定石蠟基復(fù)合材料在2-18GHz的電磁參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)理論數(shù)值分析，研究了遺態(tài)功能復(fù)合材料的吸波性能。主要研究結(jié)果如下： 遺態(tài)功能復(fù)合材料具有分級(jí)多孔和碳/金屬納米組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：以多孔碳為基體，遺傳保留了植物材料天然的微米、納米級(jí)的多孔結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)在無(wú)定形碳基體中自組裝碳/金屬納米結(jié)構(gòu)。碳/鐵納米結(jié)構(gòu)的形成臨界溫度為700℃，而碳/鎳和碳/鈷納米結(jié)構(gòu)的形成臨界溫度超過(guò)800℃。當(dāng)處理溫度高于1000℃時(shí)

5、，遺態(tài)功能復(fù)合材料具有典型的三維碳納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征。無(wú)定形碳基體中的碳/金屬納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制符合“溶解-析出”模型。 酚醛-遺態(tài)功能復(fù)合材料在X波段的電磁屏蔽效能隨著頻率變化基本保持穩(wěn)定，具有“寬頻”的特征。處理溫度從500℃提高至1000℃時(shí)，酚醛-多孔碳模板的電磁屏蔽效能從小于SdB提高至15dB，而酚醛-遺態(tài)功能復(fù)合材料的電磁屏蔽效能從小于SdB提高至40dB，表明碳/金屬納米結(jié)構(gòu)的形成極大提高了復(fù)合材料的電磁屏蔽效能。

6、遺態(tài)功能復(fù)合材料對(duì)電磁波的屏蔽機(jī)理為成分和結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)：無(wú)定形碳石墨化和碳/金屬納米結(jié)構(gòu)的形成提高電磁波反射和吸收效能，而分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)部的電磁波起多重反射作用，提高了材料的吸收損耗。 遺態(tài)功能復(fù)合材料的電磁性能與多孔結(jié)構(gòu)、碳/金屬納米結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，可通過(guò)處理溫度加以控制。多孔結(jié)構(gòu)減小復(fù)合材料的介電常數(shù)，而碳/金屬納米結(jié)構(gòu)的形成提高復(fù)合材料的介電常數(shù)。處理溫度為600-1000℃時(shí)，遺態(tài)功能復(fù)合材料的介電常數(shù)隨著處

7、理溫度的升高而增大，而磁導(dǎo)率變化甚小。遺態(tài)功能復(fù)合材料對(duì)電磁波的吸收損耗主要為介電損耗，磁損耗很小。 通過(guò)理論建模和分析，利用遺態(tài)功能復(fù)合材料的電磁參數(shù)進(jìn)行單層薄層吸波材料設(shè)計(jì)，研究結(jié)果表明遺態(tài)功能復(fù)合材料可作為低反射、寬頻、薄層的單層介電吸波材料。隨處理溫度的提高，無(wú)定形碳石墨化和碳/金屬納米結(jié)構(gòu)的形成提高了復(fù)合材料的介電常數(shù)實(shí)部和介電損耗，擴(kuò)寬了低反射率的頻率范圍，并提高了最大損耗值。單層遺態(tài)功能復(fù)合材料對(duì)電磁波的吸收由“本