碳化硅纳米线基多元吸波材料的制备与性能研究

来源 :西安建筑科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangliu349
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碳化硅纳米线(SiC nanowires,SiCNWs)由于其高比表面积,丰富的堆垛层错,孪生界面和可调节的电导率,并且在基质中形成导电网络具有优于SiC块体和颗粒形式的电磁吸收性能,特别是受到广泛关注。然而,单一SiC相的介电常数低于碳和铁磁吸收材料,并且通常引入缺陷以增加SiC的介电常数的方式难以接近合适的阻抗匹配,导致仅有较窄的有效吸收频带(Effective absorption bandwidth,EAB),吸波体的吸收强度及有效频宽难以大幅提高,无法满足对高性能吸波体的要求。针对上述问题,可以从设计优化纳米线结构;引入多元相,如介电材料,磁性材料等方面实现。本论文以SiCNWs为基体,构建多种结构及多元相组成的复合材料,制备兼具“厚度薄,质量轻,有效吸收带宽,电磁吸收强”高性能的电磁波吸收体。系统研究各组分结构对吸波体电磁波吸收性能的影响规律,分析不同吸波体的电磁波吸收机理,考察吸波体在电磁屏蔽领域的应用。获得基于SiCNWs的多元复合结构吸波体的制备方法和设计思路。采用聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)作为SiCNWs先驱体原料,通过静电纺丝结合高温热解制备柔性SiCNWs薄膜,SiCNWs薄膜构建的3D网络结构以及SiCNWs的导电网络可引起电磁波多重反射,丰富的界面极化,偶极子极化等介电损耗可同时促进电磁波的衰减,因此表现出优异的吸波性能。当SiCNWs薄膜填充量仅为10 wt%时,厚度为2.0 mm位于11.2 GHz处,最小反射损耗(Minimum reflection loss,RLmin)为-41 d B,EAB达5 GHz。采用酚醛树脂(Phenolic Resin,PR)及硅溶胶作为SiCNWs先驱体原料,通过静电纺丝及碳热还原制备柔性SiCNWs薄膜,SiCNWs具有两种类型的生长机制,一类是在先驱体纳米线直接原位碳热还原形成的SiC纳米线,另一类型是由V-S机制气相生长的单晶SiCNWs。SiCNWs膜具有出色的柔韧性,最大弯曲角度达到160°。针对单一SiCNWs介电损耗较差的问题,通过静电纺丝及氮气热处理制备了多孔SiC/Si3N4纳米线(SiC/Si3N4 NWs)。具有大的比表面积及丰富介孔的SiC/Si3N4NWs构成的3D网状结构扩展了电磁波的衰减路径,通过富碳SiC和Si3N4纳米晶粒之间界面的相互协同作用,有效提高了电磁波吸收性能。当填充量为15 wt%时,仅在涂层厚度为2.1 mm,EAB高达7.12 GHz(10.88-18 GHz),覆盖了整个Ku频段,并获得了-48 d B的RLmin。实现了强吸收和宽EAB的目的,在C,X及Ku波段的电磁波吸收领域有着重要应用价值。为满足吸波体轻量化需求,引入还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,RGO)采用了冷冻干燥技术和热处理制备了高比表面积、层状多孔的SiCNWs@RGO复合材料,SiCNWs随机分布,紧密交织,附着穿插在RGO片表面与片层孔隙间。超轻3D层状多孔RGO@SiCNWs的优异结构,通过多重反射及散射扩宽了电磁波的衰减路径,结合介电损耗及电导损耗的相互协同作用,赋予了该材料优异的吸波性能。SiCNWs@RGO填充量低至5 wt%,当涂层厚度为2.2 mm时,RLmin在12.7GHz时达到-47 d B,涂层厚度仅为2.0 mm,EAB高达5.78 GHz(12.02-17.8 GHz),几乎覆盖了整个Ku频段。针对SiCNWs阻抗不匹配的问题,通过引入具有Co-金属有机框架(Metal organic frame,MOF)结构的沸石咪唑酯骨架(ZIF-67),增加损耗机制同时改善阻抗失配的问题。通过构建串珠结构的ZIF-67@SiCNWs,将SiCNWs与ZIF-67复合,降低SiCNWs的复介电常数增强阻抗匹配性,从而使更多的电磁波进入材料内部,纳米线构成的3D导电网络引起微电流产生电导损耗,SiCNWs内部的缺陷偶极子极化及SiCNWs/ZIF-67间丰富的异质界面极化产生介电损耗共同提高了其电磁波吸收性能。当ZIF-67@SiCNWs填充量为15 wt%时,涂层厚度为2.2 mm位于11.7 GHz时RLmin为-56 d B,当涂层厚度仅为1.8 mm时,EAB高达5.53 GHz。以MOF作为制备多孔碳的模板,通过静电纺丝法制备ZIF-67/PR/PF/二氧化硅先驱体纳米线,随后在N2气氛下进行高温热处理,一步合成多元复合Co/C纳米链(Co/C NCs)@SiC/Si3N4NWs,由Co/CNCs与SiC/Si3N4NWs相互交织形成网状结构,石墨烯状碳纳米链顶端载有Co颗粒,纳米线中随机分布着3C-SiC,Si3N4和碳纳米晶粒及大量的介孔。Co、C、SiC及Si3N4多元相间丰富的异质界面极化及偶极子极化引起的介电损耗,纳米线和纳米链构成的导电网络引起的导电损耗及多重散射,Co颗粒提供了部分的磁损耗能力由此改进阻抗匹配。在多重损耗机制的协同作用下,该复合材料具有出色的电磁波吸收性能。Co/CNCs@SiC/Si3N4NWs的涂层厚度仅为1.9 mm位于15 GHz时RLmin达-48 d B,当涂层厚度仅为2.0 mm,EAB高达5.92 GHz。
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