【摘 要】
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面对日趋紧张的国际军事形势和高速发展的电子工业,探索高性能微波吸收材料来强化军事隐身技术和消除电磁污染已迫在眉睫。碳/碳复合材料凭借其密度低、化学性质稳定、介电性能突出等优点逐渐成为轻质、稳定、高效微波吸收剂的研究热点。尽管如此,碳/碳微波吸收材料由于其不匹配的特征阻抗使其很难形成宽响应的电磁特点。此外,目前关于碳/碳微波吸收材料的报道中,大多数流于将两种具有介电特性的碳材料进行简单复合,缺乏导向
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面对日趋紧张的国际军事形势和高速发展的电子工业,探索高性能微波吸收材料来强化军事隐身技术和消除电磁污染已迫在眉睫。碳/碳复合材料凭借其密度低、化学性质稳定、介电性能突出等优点逐渐成为轻质、稳定、高效微波吸收剂的研究热点。尽管如此,碳/碳微波吸收材料由于其不匹配的特征阻抗使其很难形成宽响应的电磁特点。此外,目前关于碳/碳微波吸收材料的报道中,大多数流于将两种具有介电特性的碳材料进行简单复合,缺乏导向性的设计。就核壳型纳米复合材料而言,通过对核与壳的组分进行有针对性的选择,复合物除呈现出不同组分各自单独的特性外,还呈现出单一组分不具备的特性,为可控制备高性能新型功能材料提供了理论基础。本研究利用ZIFs衍生策略构建了多样化的核壳型石墨碳@无定形碳微波吸收材料,通过对复合材料性能的系统分析,探究了化学组成、复合方式以及微观结构与性能之间的构效关系,进一步理解了不同复合材料的微波吸收机制。具体工作如下:通过在ZIF-67立方体表面沉积可控厚度的SiO2层,利用高温热解过程中异质界面的相互作用,有效调控了产物的最终形貌,成功制备了具有中空多孔结构的碳微米立方体。相比于直接热解ZIF-67制备的碳材料,该碳微米立方体具有大的比表面积和孔容。电磁参数分析表明,大的孔容有利于增强电导损耗和界面极化以及优化阻抗匹配,中空结构为多重反射提供了路径,使中空多孔碳微米立方体-2（HPCMCs-2）在6.9 GHz处,吸收厚度为3.2 mm时,反射损耗（RL）值可达-60.7 d B,优于大多数已报道的多孔碳材料的微波吸收性能。以ZIF-67@SiO2为前驱体,在其表面包覆酚醛树脂（PR）层,通过800 oC碳化和模板去除制备了碳微米笼封装碳纳米管（CNTs@CMCs）复合材料,其具有卵壳的微结构,且CMCs是由外部的无定形碳壳和内部的石墨碳层组成的。无定形碳壳的引入能够显著改善碳质材料的阻抗匹配,并且丰富介电损耗机制,同时,石墨碳的形成增强了复合材料的电导损耗。利用不同碳组分的介电特性和彼此间的协同作用,CNTs@CMCs表现出优异的微波吸收性能,其在8.4 GHz处,吸收厚度为2.6 mm时,RL值可达到-72.5 d B。除此之外,吸收厚度仅为1.5mm时,有效吸收带宽（EAB）值能够达到4.1 GHz。以商业的CNTs为核,在其表面原位生长了ZIF-8晶体,通过高温热解制备了剑鞘构型CNTs@多孔碳纳米粒子（CNTs@PCNs）复合材料,并对比了其与单独的CNTs、多孔碳纳米立方体（PCNCs）、物理混合的CNTs/PCNs（PM-CNTs/PCNs）复合材料以及大尺寸CNTs@PCNs（CNTs@PCNs（L））复合材料的介电参数与微波吸收性能,发现复合方式的有效调控可以增强PCNs与CNTs间的协同效应,从而显著提升了CNTs@PCNs-2复合材料的微波吸收性能,其在填料量为10 wt%,厚度为1.1 mm时,RL值能够达到-71.5 d B。结合自组装、原位生长以及高温热解工艺成功构建了r GO@NPCNs复合气凝胶,其具有交联的三维大孔和长程孔道结构。利用数值模拟技术结合Debye弛豫模型理论计算探索了复合材料的微波吸收机制,研究发现,NPCNs的引入一方面显著改善了阻抗匹配,另外一方面诱导了大量的缺陷,使极化损耗值在低频区从4增加到20。同时,r GO@NPCNs复合气凝胶中,交联大孔的引入能够提高材料的电导损耗,使电导损耗值在中高频区能够维持在4左右。材料损耗与结构损耗的协同作用使r GO@NPCNs复合气凝胶实现了宽响应的电磁特点,其在厚度仅为1.3 mm时,EAB值宽达5.1 GHz,覆盖了Ku波段的85%。
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