点击反应制备碳纳米管/金属氧化物/二氧化硅复合材料及吸波性能研究

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对比单一类型的吸波材料,由不同类型的吸波材料复合形成的多元材料有望获得较好的微波吸收性能。Fe3O4作为尖晶石型铁氧体,它是具有磁性的黑色固体,也是目前研究较多的磁性吸波材料。SiO2作为典型的介电损耗型吸波材料,具有密度小、耐高温、导热系数低、电导率低、吸收频带宽,材料中自由电子少以及介电常数虚部高等特点。多壁碳纳米管(MWCNTs)作为电导损耗型材料,具有耐热、耐腐蚀、比表面积大、高强度、密度低、导电性好等诸多优点。TiO2是一种常见的金属氧化物材料,同时也是一种重要的无机半导体材料,此外因为TiO2还具有一定的介电损耗性能,越来越多的吸波领域研究者将目光锁定在了TiO2上。以上这几种材料因其各自的独特性能在电磁波吸收领域都有非常广泛的应用。本论文通过点击反应制备了Fe3O4/SiO2二元复合材料、Fe3O4/SiO2/MWCNTs三元复合材料、TiO2/MWCNTs二元复合材料,并通过XRD、FTIR、SEM、FTIR-Raman等表征手段对材料的形貌、结构进行分析表征,用矢量网络分析仪测试了材料在2~18GHz频率范围内的电磁参数。具体分析表征结果如下:(1)以溶剂热法制备的纳米Fe3O4、SiO2为原料,对纳米Fe3O4、纳米SiO2进行表面改性,在Fe3O4表面引入炔基形成Fe3O4-Alk,在SiO2表面引入叠氮基团制成SiO2-N3,按照不同投料比将SiO2-N3与Fe3O4-Alk进行点击反应,制得二元复合材料Fe3O4/SiO2,并对其进行结构和性能表征。结果表明:红外图谱分析表明Fe3O4/SiO2二元复合材料成功制备;电磁参数分析结果表明:介电损耗和磁损耗都是造成此类复合材料电磁波损耗的原因。其中Fe3O4、SiO2物质的量比为1:1的Fe3O4/SiO2复合材料吸波反射损耗性能最优,其阻抗匹配最接近于1,且厚度为5.00 mm的有效频带宽度最宽,在低频3.26-6.76 GHz与高频15.74-17.68GHz范围内的反射损耗RL值都低于-10 d B,并且在16.90 GHz时RL值达到最小为-37.15 d B。(2)在以上Fe3O4-Alk、SiO2-N3为实验原料的基础上再引入表面改性的MWCNTs-Alk,按照不同的投料比进行点击反应制得三元复合材料Fe3O4/SiO2/MWCNTs,对其进行结构和性能表征。形貌分析结果表明:以溶剂热法成功制备出大量球状纳米Fe3O4,表面附着SiO2的少量MWCNTs分布在球状Fe3O4中。电磁参数分析结果表明:介电损耗是这种复合材料主要的电磁波损耗机理,其中MWCNTs、Fe3O4、SiO2物质的量比为2:1:3(即样品L2)的样品反射损耗效果最好,其最大反射损耗值在6.60GHz时RL值达到最小为-36.44d B。(3)以酸化后的MWCNTs和纳米TiO2为原料,采用铜催化的叠氮-炔基环加成反应,制备合成TiO2/MWCNTs二元复合材料,对其进行形貌、结构、性能方面的表征。形貌分析结果表明:少量不规则块状纳米TiO2附着在MWCNTs表面,使MWCNTs表面变得粗糙。红外图谱分析表明:叠氮基团修饰的TiO2-N3成功制备。XRD分析结果证明合成的复合物为TiO2/MWCNTs二元复合材料。电磁参数分析结果表明:此类复合材料主要通过介电损耗吸收电磁波,其中MWCNTs:TiO2物质的量比为1:1的样品是三种样品中反射损耗值最小的,反射损耗效果最好,样品在测试频率为7.70-12.48GHz范围内的反射损耗RL值都低于-10d B,并且在12.02GHz时的RL值最低,为-47.87d B,这与样品的阻抗匹配有关。
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