介孔碳基吸波材料的製備及其吸波規律研究

《介孔碳基吸波材料的製備及其吸波規律研究》是依託哈爾濱工業大學，由杜耘辰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：介孔碳基吸波材料的製備及其吸波規律研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：杜耘辰

項目摘要

信息社會和電子工業的高速發展，迫切需要開發高效的電磁波吸收材料來解決電磁干擾和電磁污染問題。針對於目前吸波材料密度偏大和吸收頻帶較窄的問題，本項目提出了製備介孔碳基輕質吸波材料，主要著眼於介孔碳材料孔壁石墨化程度的控制進而調變其電磁參數，使材料在2-18GHz的頻率範圍內具有良好的吸波性能，並研究介孔碳材料的結構對吸波性能的影響，設計合成出高效的介孔碳吸波材料。利用一些對電磁波具有較強損耗的磁性納米粒子修飾得到的介孔碳材料，形成介孔碳基複合材料，使材料在該頻率範圍內具有更高效的電磁波吸收性能，達到介電常數與磁導率相匹配、微波電磁參量頻率回響特性良好。並探索複合材料結構、組成與吸波性能之間的關係和規律，通過規律性的認識，進一步指導吸波材料的製備。本項目的研究不僅可以形成一些新的理論成果，同時為研發具有套用前景的輕質電磁波吸收材料提供理論基礎。

結題摘要

以間苯二酚和甲醛為基本原料，三嵌段共聚物F127為模板，利用前驅物間的自組裝得到了有序的介孔酚醛樹脂，進一步在氮氣氛圍下碳化製得有序介孔碳材料。通過調變碳化溫度，進而控制介孔碳材料的石墨化程度，並研究石墨化程度對介孔碳材料電磁性能及吸波效果的影響。同時，改變實驗條件製備了非孔碳材料和無序的介孔碳材料，並使其具有與介孔碳材料相同的石墨化程度，分析孔結構對於碳材料吸波性能的影響。結果表明，石墨化程度是影響碳材料吸波性能的第一要素。當材料具備較高的石墨化程度時，儘管孔結構能夠降低相應的電磁參數，但無法對吸波性能形成明顯影響。當材料具備合適的石墨化程度時，孔結構的存在，特別是有序孔結構的存在，不僅可以降低電磁參數，最佳化阻抗匹配特性，同時還能夠提升材料的吸波性能。通過調節表面活性劑的種類和用量，以及採取雙表面活性劑的實驗方案，旨在改變自組裝過程中膠束的構型和親疏水程度，從而調控介孔碳材料的結構和孔徑，研究結構參數對碳材料電磁性能和吸波性能的影響。結果表明，結構和孔徑的變化對於碳材料的電磁性能影響並不十分明顯，相對關鍵的因素是孔容，介電常數會隨孔容的增大而略呈下降的趨勢。以最佳化的介孔碳材料為基體，通過鐵氧體材料(Fe3O4、CoFe2O4等)的引入構建了一系列複合吸波材料，但由於鐵氧體材料的磁導率較小，不能明顯改進複合材料的磁損耗性能，且鐵氧體的過多引入會造成介孔碳材料結構參數急劇下降，丟失結構優勢。進一步嘗試以FeCo合金材料為磁性組分，儘管磁導率能夠在一定程度上得到改善，但吸波性能仍有待於進一步最佳化。綜合階段性研究成果，課題組決定對研究計畫作部分修改，考慮到複合材料中很難體現介孔材料的結構優勢，且對於碳材料最重要的因素是石墨化程度而非孔結構，因此我們認為核殼型的碳基複合材料將會是良好的替代者。一方面其不受磁性材料引入量的限制，另一方面它具有良好的化學均勻性，避免了介孔碳基複合材料中磁性組分的隨機分布。利用原位聚合法，成功製備了Fe3O4@C複合材料且表面碳層厚度在一定範圍內可調。這種複合材料集成了磁性損耗和介電損耗的機制，在2-18GHz範圍內顯示了良好的吸波性能，且吸波頻段可任意調諧。另外，在本項目的資助下，課題組在鐵氧體材料和導電聚合物材料的製備，以及鐵氧體與聚苯胺複合吸波材料的等方面也取得了一定的研究成果，為輕質、高效的新型吸波材料研製提供了一定的理論依據和科學參考。