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吸波材料,是一种可以将电磁波能量转化为热能或其它形式能量损耗掉的功能材料。鉴于电磁污染防护与军事隐身技术的需要,研发高性能电磁波吸收材料迫在眉睫。吸波材料的有效损耗成分是其中的吸收剂,单一组分的吸收剂难以实现“薄、轻、宽、强”的要求。本文从多种损耗特性的角度出发,以高电损耗型材料为基础,开展新型电/磁复合吸收剂的制备。文中详细地分析了复合吸收剂的结构、形貌和组分,并对其电磁特性特别是吸波性能进行了研究,阐述了可能的吸收机理,主要的研究内容和结论如下:
采用聚合物辅助沉积和后热处理法制备出多孔立方棒状镍铁氧体(NiFe2O4),进一步利用静电吸附将多壁碳纳米管(MWCNT)锚固在二氧化硅(SiO2)包覆的NiFe2O4的表面,得到NiFe2O4@SiO2/MWCNT。通过形貌、结构和组分的表征,验证了复合吸收剂符合预期的设计。分析了材料的损耗机制和吸波性能,发现介电损耗在其损耗中占主导作用,而且改变吸收剂的填充比例和匹配厚度能够有效调控其吸收特性。40wt%NiFe2O4@SiO2/MWCNT的最低反射损耗在厚度为1.9mm频率为11.9GHz处可达-67.8dB,有效吸收带宽在1.5mm的厚度下可达4.5GHz(13.5-18 GHz);30wt%NiFe2O4@SiO2/MWCNT的有效吸收带宽在2.2mm的厚度下可达5.3GHz(12.7-18GHz),基本覆盖了Ku波段。优异的吸波性能归因于多重极化机制增强的介电损耗、特殊结构带来的电磁波多重反射和散射、良好的阻抗匹配特性以及介电损耗与磁损耗的协同作用。
采用离子刻蚀和超声剥离制备出少层Ti3C2TxMXene(f-Ti3C2Tx),然后利用静电吸附使f-Ti3C2Tx包覆在羰基铁粉(CIP)的表面获得f-Ti3C2Tx/CIP(记作M/C),进一步通过不同温度的热处理得到M/C-400(400表示400℃)和M/C-800。通过形貌、结构和组分的表征,验证了复合吸收剂符合预期的设计。分析了材料的损耗机制,发现磁损耗在其损耗中占主导地位,但改变f-Ti3C2Tx的含量和热处理的温度可以有效调控其介电损耗的大小。复合吸收剂在不同频段均实现了良好的吸收效果,其中M/C-20-400(20表示f-Ti3C2Tx溶液反应量为20mL,溶液密度为5.43mg/mL)在2.1mm厚度下的有效吸收带宽可达6.16GHz(11.68-17.84 GHz),基本覆盖了Ku波段;M/C-20-800的最低反射损耗在厚度为2.7mm频率为12.08GHz处达到-44.6dB,有效吸收带宽在2.3-3.1mm的厚度范围内都大于4.18GHz,并在厚度为3.1-3.2mm之间完全覆盖了X波段。良好的吸波性能得益于较高的磁损耗、多重极化机制、改善的阻抗匹配特性以及不同损耗的协同作用。
总体来说,将不同损耗类型的材料通过一定的结构方式进行复合可以引入多种损耗机制,改善整体的吸波性能,为高性能电磁波吸收材料的制备提供了新的技术途径。
采用聚合物辅助沉积和后热处理法制备出多孔立方棒状镍铁氧体(NiFe2O4),进一步利用静电吸附将多壁碳纳米管(MWCNT)锚固在二氧化硅(SiO2)包覆的NiFe2O4的表面,得到NiFe2O4@SiO2/MWCNT。通过形貌、结构和组分的表征,验证了复合吸收剂符合预期的设计。分析了材料的损耗机制和吸波性能,发现介电损耗在其损耗中占主导作用,而且改变吸收剂的填充比例和匹配厚度能够有效调控其吸收特性。40wt%NiFe2O4@SiO2/MWCNT的最低反射损耗在厚度为1.9mm频率为11.9GHz处可达-67.8dB,有效吸收带宽在1.5mm的厚度下可达4.5GHz(13.5-18 GHz);30wt%NiFe2O4@SiO2/MWCNT的有效吸收带宽在2.2mm的厚度下可达5.3GHz(12.7-18GHz),基本覆盖了Ku波段。优异的吸波性能归因于多重极化机制增强的介电损耗、特殊结构带来的电磁波多重反射和散射、良好的阻抗匹配特性以及介电损耗与磁损耗的协同作用。
采用离子刻蚀和超声剥离制备出少层Ti3C2TxMXene(f-Ti3C2Tx),然后利用静电吸附使f-Ti3C2Tx包覆在羰基铁粉(CIP)的表面获得f-Ti3C2Tx/CIP(记作M/C),进一步通过不同温度的热处理得到M/C-400(400表示400℃)和M/C-800。通过形貌、结构和组分的表征,验证了复合吸收剂符合预期的设计。分析了材料的损耗机制,发现磁损耗在其损耗中占主导地位,但改变f-Ti3C2Tx的含量和热处理的温度可以有效调控其介电损耗的大小。复合吸收剂在不同频段均实现了良好的吸收效果,其中M/C-20-400(20表示f-Ti3C2Tx溶液反应量为20mL,溶液密度为5.43mg/mL)在2.1mm厚度下的有效吸收带宽可达6.16GHz(11.68-17.84 GHz),基本覆盖了Ku波段;M/C-20-800的最低反射损耗在厚度为2.7mm频率为12.08GHz处达到-44.6dB,有效吸收带宽在2.3-3.1mm的厚度范围内都大于4.18GHz,并在厚度为3.1-3.2mm之间完全覆盖了X波段。良好的吸波性能得益于较高的磁损耗、多重极化机制、改善的阻抗匹配特性以及不同损耗的协同作用。
总体来说,将不同损耗类型的材料通过一定的结构方式进行复合可以引入多种损耗机制,改善整体的吸波性能,为高性能电磁波吸收材料的制备提供了新的技术途径。