金属—有机框架衍生磁性金属/碳复合材料的制备及微波吸收性能研究

来源 :安徽理工大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:aminhao
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碳材料具有较低的密度、良好的化学稳定性和优异的导电性能等优点,因此它是一种潜在的吸波材料。近年来,金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)在结构上具有多样性、多孔性、可剪裁性以及超高的比表面积等优异特性,并且研究发现以MOFs为前驱体,在惰性气氛(Ar或N2)中高温热解可以原位生成磁性金属/碳复合材料。本文利用简单的合成方法(室温老化-高温热解、溶剂热-高温热解)获得了三种金属-有机框架衍生的磁性金属/碳基复合材料,探究了它们的微波吸收性能和微波吸收机理,为进一步研究以金属-有机框架为前驱体制备微波吸收材料提供了一定的参考价值:(1)第一章首先利用室温老化获得双金属(Co,Zn)-MOFs前驱体,然后高温热解前驱体制备氮掺杂四氧化三钴/钴/碳(Co3O4/Co/C)磁性复合材料,并采用多种分析技术,系统地研究了所得复合材料的结构、组成、微观形貌、磁性能和电磁参数。结果表明:氮掺杂Co3O4/Co/C磁性复合材料具有典型的菱形十二面体结构,较高的磁性能和优秀的微波吸收性能。复合材料碳基体中掺杂了大量的氮原子,钴催化可以原位形成碳纳米管,有利于电磁波的吸收,其最小反射损耗(RLmin)达到-66.7 dB,有效吸收带宽(RL≤-10 dB,EAB)达到4.2 GHz,厚度(d)为2 mm。最后,还探讨了氮掺杂Co3O4/Co/C磁性复合材料的微波吸收机理与材料偶极极化和界面极化效应,电导损耗、介电损耗和磁损耗的协同效应,优异的阻抗匹配和适度的电磁衰减特性等有关。(2)第二章中针对第一章制备的样品存在导电性能较弱的问题制备了氮掺杂钴-碳/多壁碳纳米管(Co-C/MWCNTs)磁性复合材料。首先在双金属MOFs前驱体合成部分加入了不同质量的酸处理后的MWCNTs,利用室温老化获得双金属(Co,Zn)-MOFs/MWCNTs前驱体,随后对前驱体进行高温热解获得氮掺杂Co-C/MWCNTs磁性复合材料。并采用多种分析技术,系统地研究不同酸化处理后的MWCNTs添加量的纳米复合材料的结构、组成、微观形貌、磁性能和电磁参数。结果证明:复合材料表现出类似的更均匀的十二面体形状且随着MWCNTs的添加量增加,MWCNTs缠绕碳骨架,从而将框架串联在一起形成局部导电网络,使得复合材料的导电性能更加优秀,在MWCNTs的添加量为12.5 mg时样品具有最好的微波吸收性能,填充比为25 wt%且d为2.5 mm时,Co-C/MWCNTs(12.5 mg)样品的RLmin达到-50.0 dB,EAB为3.6 GHz(8.2-11.8 GHz),覆盖了86%的X波段(8.2-12.4 GHz),材料的偶极极化和界面极化效应,电导损耗、介电损耗和磁损耗的协同效应,优异的阻抗匹配和适度的电磁衰减特性等提高了其微波吸收性能。(3)第三章中利用溶剂热-高温热解两步法制备了形貌特殊的Fe-MOFs衍生的四氧化三铁-碳/还原氧化石墨烯(Fe3O4-C/RGO)磁性复合材料。首先在Fe-MOFs前驱体合成部分加入了不同质量的氧化石墨烯(GO),利用溶剂热法获得Fe-MOFs/RGO前驱体,随后对前驱体进行高温热解获得Fe3O4-C/RGO磁性复合材料。并采用多种分析技术,系统地研究不同GO添加量的纳米复合材料的结构、组成、微观形貌、磁性能和电磁参数。结果表明:Fe3O4-C/RGO磁性纳米复合材料具有特殊的菱形八面体形貌,并且具有较高的磁性和优秀的微波吸收性能,GO添加量为80 mg时具有最好的微波吸收性能,该样品在填充比为25 wt%且d为1.61 mm时的RLmin达到-49 dB,且当厚度为1.5 mm时,EMB达到了5.4 GHz;此外,改变涂层厚度,对应于不同厚度的最大微波吸收的RLmin逐渐出现在不同的频率下,吸收带(≤-10 dB)几乎覆盖了2-16 GHz(S、C、X、Ku波段)的所有波段,并且,可以通过改变涂层厚度可以调节吸收强度。Fe3O4-C/RGO磁性复合材料的微波吸收机理可归结为其偶极极化和界面极化效应,电导损耗、介电损耗和磁损耗的协同效应,优异的阻抗匹配和适度的电磁衰减特性等的共同作用。图[52]表[9]参考文献[134]
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