中空聚苯胺/Fe3O4复合材料的制备及吸波性能研究

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中空聚苯胺(PAN I)/磁性纳米颗粒复合材料由于具有独特的电磁匹配优势,同时,兼有中空结构复合材料所特有的比表面积大,密度低等特点,符合吸波材料“薄、宽、轻、强”的要求。  因此,本文主要通过聚苯胺结构可设计性以及独特的掺杂机理,制备出了具有导电和导磁双重性能的中空聚苯胺/Fe3O4复合材料,利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、热重分析仪(TG)、振动样品磁强计(VSM)及恒压四探针测试仪等,对复合材料的形貌、结构、组成、磁和电性能进行了表征,通过矢量网络分析仪(VN A)对复合材料进行了电磁参数的测试。根据传输理论,用MATLA B编程进行模拟计算,分析了复合材料不同匹配厚度的吸波性能。具体研究内容如下:  (1)以樟脑磺酸(CSA)为掺杂剂,过硫酸铵(APS)为氧化剂,采用自组装法合成了聚苯胺纳米管;其次,通过一定量的氨水对聚苯胺纳米管进行解掺杂,之后采用共沉淀的方法将 Fe3O4纳米颗粒负载其解掺杂的聚苯胺纳米管表面上;最后通过不同浓度的对甲苯磺酸(p-TSA)进行二次掺杂,合成具有不同电磁性能的纳米管聚苯胺/Fe3O4复合材料。通过 TEM、SEM、FT-IR、XRD、VSM和恒压四探针测试仪对纳米管聚苯胺/Fe3O4复合材料形貌、结构、磁性能及电性能进行了分析,结果显示:成功合成了具有电磁性能的纳米管聚苯胺/Fe3O4复合材料,且复合材料表现出了超顺磁性;利用氨水对聚苯胺纳米管解掺杂和p-TS A对纳米管聚苯胺/Fe3O4复合材料二次掺杂,对其聚苯胺纳米管形貌没有影响;且当 p-TSA浓度大于1.25mol/L,电导率恒为2.0×10-3S/cm。通过 VNA对纳米管聚苯胺/Fe3O4复合材料吸波性能的分析,结果表明:复合材料的匹配厚度为2.5mm时,在低频区几乎没有电磁损耗,而随着频率的增加,在高频14.3GHz附近出现明显的最小反射率,且1.50 mol/L的 p-TSA掺杂的复合物有较大的反射损耗为-5.2dB。这就说明酸的掺杂,对复合材料的电损耗起主要作用。  (2)以甲苯为软模板,盐酸(HCl)为掺杂剂,Fe3O4纳米颗粒为稳定剂,十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为乳化剂,过硫酸铵(APS)为氧化剂,采用界面聚合和Pickering乳液聚合相结合的方法,合成具有电磁性能的空心球聚苯胺/Fe3O4复合材料,其中,改变盐酸的掺杂量将获得不同电磁性能的空心球聚苯胺/Fe3O4复合材料,利用TEM、SEM、XRD、FT-IR、TG、VS M及恒压四探针测试仪对复合材料的形貌、结构、热稳定性、磁性能及电性能进行了表征。结果显示:成功合成了具有电磁性能的空心球聚苯胺/Fe3O4复合材料,且表现出了超顺磁性;当盐酸的掺杂量为0.10mol/L时,复合材料空心球的尺寸为2.8μm;当盐酸的量在0.30~1.00mo l/L范围内时,空心球聚苯胺/Fe3O4复合材料尺寸在1~2μm范围之内,且产生了一种存有空腔的新型核-壳结构聚苯胺/Fe3O4复合材料;同时,随着掺杂酸的浓度从0.05mo l/L增加至1.00mo l/L时,使空心球聚苯胺/Fe3O4复合材料的电导率从5.58×10-4S/cm增至4.62S/cm。通过 VNA对空心球聚苯胺/Fe3O4复合材料进行了电磁参数的测试,结果表明:相对于未掺杂的空心球聚苯胺/Fe3O4复合材料的吸波性能,则酸掺杂的空心球聚苯胺/Fe3 O4复合材料提高了对电磁波的吸收,且复合材料的质量占石蜡混合样品的70%时,表现出良好的阻抗匹配。当0.10mo l/L酸掺杂的空心球聚苯胺/Fe3O4复合材料,频率在12.64GHz附近时,最小反射率达到-43.3dB,对应的匹配厚度为2 mm,且随着厚度从1.5mm至5 mm变化时,RL<-10dB的频带宽为13GHz(4.16~18GHz),对电磁波吸收可以达到90%以上,表现出了良好的吸波性能。
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