基于静电纺丝技术的复合纤维材料的制备及其电磁波吸收性能研究

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高速发展的无线通讯技术使人类社会与其周围的电磁环境密切相关。电磁波的无序过量辐射不仅会干扰各种电子设备,还会危害人体健康并影响人类赖以生存的自然环境。如何在利用电磁资源的同时保证适合人类生存的环境是当今世界各国重视与关注的问题。除此之外,现代战场复杂的电磁环境也使得电磁吸收在军用领域中有着重要的战略地位,在面对以电磁波为媒介的先进探测系统时如何保证武器装备的生存能力也是各国的研究重点之一。在此基础上,能够有效吸收并衰减电磁波的电磁波吸收材料受到了人们的广泛关注并得到了长足的发展。然而,当下材料难以兼具厚度薄、质量轻、吸收范围宽、吸收强度大等性能特点。此外,材料缺乏对高温、氧化、腐蚀和冲击等复杂环境的适应性也限制了其应用范围。为克服以上缺点,本研究基于静电纺丝法制备出多种一维纳米复合纤维。通过将介电和磁性组分与碳纤维基体相结合而得到的复合纤维具有良好的阻抗匹配特性和丰富的电磁波损耗途径。在此基础上对各组分比例进行调控,研究各组分对电磁波吸收性能的影响,并最终获得宽频、强吸收的高效电磁波吸收材料。在本文中通过静电纺丝技术合成了一系列具有一维大长径比的纳米复合纤维,并在后续研究中表征了材料的物相组成和形貌结构,测量了材料的电磁参数,计算得到了材料的电磁波吸收性能并分析了材料的吸收机理,具体研究结果包括以下内容:(1)为探究磁性金属/介电材料/碳材料三元复合纤维的电磁波吸收机理并了解其电磁波吸收性能,现通过静电纺丝法和氢气气氛下的热处理法成功制备出Ni/MnO/C纳米复合纤维,并研究了 Ni和MnO组分的引入对微观形貌和电磁参数的影响。表征结果显示,均匀分布在碳基体中的金属Ni和MnO组分能够有效阻止碳纤维在热处理过程中的团聚,并得到直径约为250nm的复合纤维。优选的N1M1纳米复合纤维在14.0GHz的频率和2.3 mm的厚度下具有-52.3 dB的最小反射损耗;且在2.9 mm的厚度下具有6.5 Hz的最大有效吸收带宽,表现出优异的电磁波吸收能力。MnO的引入能够有改善纳米复合纤维的阻抗匹配,金属Ni的引入则增强了复合材料磁损耗能力并降低了材料的匹配厚度。多种组分之间的有效协同在优化材料阻抗特性的同时丰富了电磁波的衰减路径,最终提升了材料的电磁波吸收性能。(2)为增加材料的磁损耗,提升材料在中低频段下的电磁波吸收能力,将金属Ni替换为具有更大饱和磁化强度的金属Co,成功制备了 Co/MnO/C纳米复合纤维,并研究了 Co和MnO组分的引入对微观形貌和电磁参数的影响。表征结果显示金属Co和MnO纳米颗粒均匀的分布在直径约为300 nm碳纤维基体中。优选的C1M1纳米复合纤维在14.1 GHz的频率和2.3 mm的厚度下具有-71.7 dB的最小反射损耗;且在2.6 mm的厚度下具有6.3 GHz的最大有效吸收带宽,展现出远高于其它组分比例下的纳米复合纤维的电磁波吸收性能。研究结果表明,由一维大长径比纤维搭接形成的三维导电网络能够有效促进载流子的移动。均匀复合的纳米颗粒不仅优化了材料的阻抗匹配,也增加了各组分间的异质界面,为电磁波的多重散射行为提供了丰富的位点,增加了材料的极化损耗能力。合理的成分选择与独特的结构设计之间的协同赋予了 Co/MnO/C纳米复合纤维优异的电磁波吸收性能。(3)为拓展材料的适用环境,将MnO组分替换为ZnO组分并调节其分布情况,成功制备出具有核壳结构的C/Co@ZnO纳米复合纤维,并研究了外部ZnO壳层的生长时间对表面形貌和电磁参数的影响。表征结果显示,纤维直径约为700nm,壳层由沿纤维表面径向分布的长度为100-200nm的ZnO短纳米棒所组成。在性能方面,所有的复合纤维均表现出良好的电磁波吸收能力,表明在此处所构建的C/Co@ZnO三元复合体系的可行性和普适性。其中优选的生长时间为6 h的纤维在7.5 GHz的频率和3.4 mm的厚度下具有-73.2 dB的最小反射损耗,并在1.9 mm的厚度下具有5.4 GHz的最大有效吸收带宽。纳米ZnO组分在纤维表面所构造的精细微结构在优化阻抗匹配的同时也提高了材料在耐高温、抗氧化方面的潜力。这为纤维表面结构的设计和多元一维电磁波吸收材料的制备提供了具有参考性的可行性方案。
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