木炭基多孔吸波材料的制备与性能研究

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随着微波技术的迅速发展,电磁干扰与污染问题日益严重,探索兼具厚度薄、质量轻、吸波频带宽且吸收能力强的高性能吸波材料对于通信、医疗与国防安全等领域具有重要意义。木材具有规则精细、中空通直的孔道结构,在电磁波吸收领域应用上有良好的发展前景。本研究以速生马尾松木材为原料,采用简便、低廉的制备工艺获得了多孔吸波木炭及其磁性复合材料。通过孔隙结构调控、成分复合等策略优化材料的阻抗匹配特性与电磁衰减能力,得到优良的电磁波吸收材料,为实现速生木材的高值化与功能化应用提供了实验依据。主要研究内容如下:1、通过一步无氧碳化脱除木质素的木块,获得了具有不同孔隙结构的多孔吸波木炭。研究表明,随着NaClO2溶液质量分数的增加(0~5%),表征木质素的FTIR特征峰强度逐渐减弱,木块的孔隙率线性增大,木炭-石蜡复合材料的电导率先缓慢增加后急剧增加,介电损耗逐渐增强,阻抗匹配特性与电磁衰减能力随之提高。故5 wt.%NaClO2溶液预处理条件下,木炭具有最优的利于电磁波吸收的孔结构,它在2.5 mm、15.6 GHz处的最低反射损耗为-41.3 dB,低于-10 dB的有效吸波频段覆盖了 5.76 GHz(12.28~18 GHz)。其吸波机制包括导电损耗、界面极化损耗、偶极子极化损耗和干涉相消。2、通过在木炭多孔优势结构中高温原位生长磁性Fe3O4粒子,制备了高效吸波的多孔木炭/Fe3O4复合材料。研究表明,复合材料保有原始木材通直的三维孔结构,炭壁与管道中的Fe3O4粒子分布均匀,升高碳化温度(630~690℃)可增强材料的电导率与电磁波衰减能力,但温度过高(690℃)会引起材料与空气的阻抗失配。670℃条件下的复合材料因电磁衰减能力和阻抗匹配特性较优而表现出强的反射损耗和宽的有效频段,其在3.2 mm、12.16 GHz时的反射损耗达到-49.5 dB,有效吸收频宽为6.24GHz(9.04~15.28 GHz),优于多孔吸波木炭,这归因于极化弛豫的增强与介电、磁损耗机制的协同作用。3、通过原位聚合与高温热解法制备的多孔木炭/钴铁复合材料优化了吸波匹配厚度和有效频宽,表现出“薄”且“宽”的特点。该复合材料(碳化温度为950℃)在1.91 mm时的最低反射损耗为-43.7 dB,在1~5.5 mm厚度内的有效吸收频宽覆盖了全部C~Ku频段及部分S频段(3.28~18GHz)。另外,研究发现碳化温度降低时(450~950℃),复合材料中的钴铁单质态逐渐转变成氧化态,炭壁表面缺陷减少,材料的复介电常数降低,阻抗匹配特性与电磁衰减能力随之减弱。
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