铁硅碳系纳米胶囊的合成及其高频电磁性能研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Jordan2391
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本文通过等离子体电弧法,以铁-硅-碳系为研究对象,制备了 Fe3Si@C纳米胶囊、纳米SiC和中空碳纳米线,同时也通过水热合成法制备了 Co9S8-DETA杂化纳米盘层状材料,系统地研究了它们在2-18 GHz频率内的电磁波吸收性能。研究发现,通过调节纳米胶囊外壳厚度、引入掺杂元素以及改变形貌来调控纳米材料的微观结构,可以实现对上述纳米材料的电磁参数的调控进而调控其电磁波吸收收性能。本论文中设计并合成了一种新型的带有非晶C壳包裹Heusler软磁性Fe3Si合金的纳米胶囊,在制备过程中,在C壳中引入掺杂Si原子,产生大量Si-C键,诱导了晶态C壳转变为非晶C壳。通过对外壳晶态的调制,增强了介电极化,显著改善了 C壳的介电性能,使非晶C壳与软磁性Fe3Si之间具有更理想的阻抗匹配,导致Fe3Si@C纳米胶囊显示增强的电磁波吸收特性。当吸收体厚度为2.1 mm时,Fe3Si@C纳米胶囊在13 GHz具有最小反射损耗(RL)-68.3 dB。当吸收体厚度为1.4 mm时,其吸收带宽为4.6 GHz(RL<-10 dB)。这种纳米胶囊作为新型的电磁波吸收材料具有非常重要的潜在应用价值。本论文通过一步合成策略,制备了可以原位调控形貌的纳米SiC。引入一种全新N源和气体催化剂,利用乙腈(C2H3N)原位合成N掺杂的纳米SiC。发现纳米SiC的微观形貌由未掺杂N的球形转变到掺杂N后的纳米片状。由于掺N的纳米片SiC的表面积显著扩大,可以支持更多数量和类型的电偶极子。结合优化的N浓度掺杂,显著提高了介电常数虚部(ε”)和介电损耗tan δe值,导致极化弛豫增强。本工作制备的N掺杂纳米SiC在2-18 GHz范围内与报导的同类材料相比,其介电性能和电磁波吸收特性得到了明显改善。当吸收体厚度仅为1.58 mm时,反射损耗低于-10 dB的吸波宽带可以达到4.1 GHz。通过将具有壳核结构的Al4C3@C纳米线去合金化,制备了具有大量表面缺陷和大的比表面积的中空碳纳米线。由于中空结构与内外表面具有大量的表面缺陷,使得中空碳纳米线表面具有大量非相互作用电偶极子,导致中空碳纳米线增强的宽带强吸波特征。与常规碳纳米材料相比,在2-18 GHz范围,当前中空碳纳米线电磁波吸收特性显著提高。当吸波体厚度为1.9 mm时,在15.7 GHz处可取得最小反射损耗(RL)-47.1 dB,当吸波体厚度为2.0 mm时,反射损耗高于90%(RL<-10 dB)的吸波带宽可以达到5.5 GHz。使用水热法合成了 Co9S8-DETA有机无机杂化材料。通过调节反应时间,研究了产物随反应时间的形貌演变规律,反应时间72 h的生成物Co9S8-DETA杂化材料的结晶性最好。以Co9S8-DETA为前驱体,通过热处理去除有机插层DETA,得到具有层状结构的无机物Co9S8。研究发现,相比于Co9S8无机物,Co9S8-DETA杂化材料表现出优异的电磁波吸收性能。当吸波体厚度仅为1.6 mm时,反射损耗小于-10 dB的有效吸收带宽达到4.1 GHz。出色的电磁波衰减特性归因于Co9S8-DETA有机无机杂化材料优化的电磁匹配和二维片状形貌的独特结构。另外,将Co9S8无机物和葡萄糖均匀混合后高温煅烧,可以得到Co9S8@C纳米复合材料。电化学性质测量结果表明,Co9S8@C纳米复合材料具有优异的锂存储性能。在电流密度为0.2 A g-1时,经过110次循环后,Co9S8@C纳米复合材料的容量高于Co9S8纳米复合材料。Co9S8@C优异的锂离子电池性能来源于其独特的二维结构和碳包覆后导电性的提高。
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