二维过渡金属碳化物电磁波吸收/屏蔽性能的优化及实验研究

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随着集成电路系统已广泛应用在能源、交通、工业、国防等诸多关键领域,单位面积的集成电路的集成度以及集成电路的规模不断提高,集成电路的体积不断变小,这种发展趋势一方面使集成电路工作效率不断提高,但另一方面也会伴生越来越严重的电磁干扰问题。这种冗余的电磁波不仅对人们生存环境和健康造成危害,而且也会反过来影响精密仪器与电路的运行。所以,无论是出于民用考虑还是军事用途考虑,都迫切需要开发出高性能的电磁波吸收屏蔽材料。电磁波吸收屏蔽材料的主要功能是衰减电磁波实现电磁防护,作用机理是将入射材料的电磁波反射,或者在材料内部将电磁能向热能或者其它形式的能量转化。对电磁波吸收屏蔽的主要评价标准包括涂层厚度、最大防护深度、材料作用频带以及材料本身的物理与化学的性能。金属基材料是最早的电磁波吸收屏蔽材料,但其存在着密度大、易腐蚀、防护带宽窄等缺点。碳材料是一种理想的电磁波吸收屏蔽候选材料,碳材料一般具有较好的导电性能,并且介电性能易于调控,是一种理想的介电损耗型的吸波屏蔽材料。但传统碳材料的阻抗匹配性能较差,这阻碍了它们在微波吸收方面的进一步发展。所以,探索新型高效且易于工业化生产合成的电磁波吸收屏蔽材料是很必要的。二维过渡金属碳化物作为一种新型的碳材料,目前在很多应用领域都引起了关注。另外,材料的形态、几何形状、微结构和成分等因素对其电磁吸收性能至关重要。通过优化材料吸收体的成分和结构,可以在显著改变材料的电导率的同时调整复合材料的介电常数,来实现宽频的有效吸收。本文成功合成了二维过渡金属碳化物材料,研究了二维过渡金属碳化物的损耗成分、形貌结构和几何形状对其电磁吸收和屏蔽性能的影响。研究内容如下:(1)通过氢氟酸刻蚀法成功制备了二维过渡金属碳化物,这种合成策略简便、可控且合成产物稳定。本文利用多种表征手段对制备的二维过渡金属碳化物的微观结构和材料成分以及材料的电磁性能进行了测试,并分析其表征与传导损耗、介电损耗等损耗机制之间的相关联系。(2)探究了二维过渡金属碳化物材料的刻蚀时长、质量分数以及过渡金属元素组成对其电磁参数和电磁性能的影响,并对其进行了电磁仿真。结果表明这种层状结构具有非常好的阻抗匹配性能,有利于电磁波的入射并产生多重散射和反射,而且层状之间存在强界面极化,并且不同过渡元素之间的差异也会对其微波吸收性能产生影响。(3)探究了二维过渡金属碳化物材料的电磁屏蔽性能并进行电磁仿真,发现其具有优异的电导率和电磁屏蔽效能。二维过渡金属碳化物除了高电导率带来的高的电磁波反射对电磁屏蔽的贡献,还发现这种特殊的层状结构可以将电磁波分散到各个层之间,增加电磁波的传导路径和散射有利于电磁波的损耗,使得电磁屏蔽也有很大一部分贡献来自于电磁波的吸收。
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