【摘 要】
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吸波材料在军事隐身及防治电磁波污染问题上发挥着积极的作用。虽然在特定频率下的吸收极值不断突破,但在追求轻质化目标的同时提高整个X波段的吸收能力仍然是一个挑战。磁性材料虽然具有较好的吸波性能但其密度较大且受居里温度限制,而介电型碳系吸波材料具有低密度、结构可调控及高温稳定性的优势受到广泛关注。本论文以原位生长的碳纳米管（CNTs）为吸波组元,与聚多巴胺热处理得到的热解碳（PyC）载体复合,制备了三维
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吸波材料在军事隐身及防治电磁波污染问题上发挥着积极的作用。虽然在特定频率下的吸收极值不断突破,但在追求轻质化目标的同时提高整个X波段的吸收能力仍然是一个挑战。磁性材料虽然具有较好的吸波性能但其密度较大且受居里温度限制,而介电型碳系吸波材料具有低密度、结构可调控及高温稳定性的优势受到广泛关注。本论文以原位生长的碳纳米管（CNTs）为吸波组元,与聚多巴胺热处理得到的热解碳（PyC）载体复合,制备了三维碳纳米复合材料。首先,在PyC空心微球表面原位生长CNTs构成三维结构的吸波剂,研究了异质界面及两相晶化程度对极化损耗的影响;将非晶态CNTs原位生长在多孔PyC泡沫宏观体表面,研究了 CNTs的分布状态对电导损耗的影响;进一步提升三维CNTs/PyC泡沫中CNTs的晶化程度,通过协同极化和电导损耗,调控电磁参数至目标范围,实现了轻质和宽频下强吸收的性能目标。主要研究结果如下:（1）通过在零维PyC空心球载体表面原位生长CNTs,在微结构上构建了大量CNTs和PyC之间的异质界面。在生长温度自600℃逐渐升至700℃的过程中,CNTs由非晶态转变为晶态,使界面两相晶化程度差异增大从而增强了界面极化强度和极化损耗。当吸波剂含量为20 wt.%,厚度为2.3 mm,生长温度为650℃时,具有特殊中空结构和较强极化损耗的CNTs/PyC空心微球最小反射系数为-56.0 dB,有效吸收带宽达到4.0 GHz,展现出优异的吸波性能。（2）用镍泡沫作为牺牲模板构筑了自支撑的三维多孔PyC泡沫基体并在其表面原位生长非晶态CNTs,得到了密度仅为22.0 mg·cm-3的超轻CNTs/PyC泡沫。CNTs能够在基体表面均匀分布,CNTs含量受催化生长时间控制。随着生长时间的延长,非晶态CNTs逐渐增长以形成三维连续导电网络,增强三维纳米复合材料的电导率及电导损耗。当催化生长时间为50 min时,非晶态CNTs使复合材料的介电常数实部、虚部的平均值分别增加了 36%和3872%。在厚度为7.9 mm时,具有多孔结构的非晶态CNTs/PyC泡沫在极化和电导损耗协同作用下,最小反射系数为-29.6 dB,在整个X波段的反射系数可以低于-13.3 dB,优于传统的有效吸收带宽标准（≤-10 dB）。（3）用三维PyC泡沫作为基体,并在其表面原位生长晶态CNTs,得到的晶态CNTs/PyC泡沫密度仅为16.7 mg·cm-3。在1000℃下催化生长的CNTs能够均匀分布且具有径向直立的形貌和高晶化程度。晶态CNTs具有较高的电导率,在较少的含量下即可连通成三维导电网络,当催化生长时间为10 min时,复合材料的电导损耗提升了六个数量级。在厚度为4.7 mm时,具有强电导损耗的晶态CNTs/PyC泡沫最小反射系数为-62.0 dB,实现X波段反射系数全频小于-14.5 dB。与零维CNTs/PyC空心微球吸波剂相比,三维非晶态CNTs/PyC泡沫无需加入粘结剂,可直接构成吸波体,不仅获得了极低的密度,而且通过极化和电导损耗的协同,拓展了吸收带宽;当采用晶态CNTs构成三维吸波体时,可在更低的密度下实现强介电损耗与阻抗匹配,X波段全频吸波性能进一步增强。基于以上结果,将强损耗CNTs组装成三维宏观体,通过极化和电导的协同,可为轻质宽频吸波材料的设计提供一种有效的方法。
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