碳纳米管增强地聚合物复合材料电磁性能研究

作     者：朱裕平 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘万双

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：地聚合物 碳纳米管 表面改性 电磁屏蔽性能 吸波性能 

摘      要：现代雷达探测技术的发展和电磁波的广泛应用对建筑类吸波材料提出了更高的性能要求。地聚合物是一种以粉煤灰或天然矿物为原料,在碱性溶液的激发作用下固化成型的三维网络无机聚合体。本课题选用绿色环保的地聚合物(GP)代替传统波特兰水泥作为基体,碳纳米管(CNT)为增强相,首先在CNT表面构建二氧化硅(Si O)层,通过溶胶-凝胶法在酸化活化CNT的悬浮溶液中分别加入5、10、20和40 ml的正硅酸四乙酯(TEOS)得到具有单层核壳结构的5S@CNT、10S@CNT、20S@CNT和40S@CNT,并与GP复合,制备了5S@CNT/GP、10S@CNT/GP、20S@CNT/GP和40S@CNT/GP复合材料。研究发现,当CNT的掺入量为5 vol%时,5S@CNT/GP、10S@CNT/GP和20S@CNT/GP复合材料的电磁屏蔽效能(SE)分别达到24.2、16.4和11.8 d B。这是由于5S@CNT较薄的Si O壳层在GP固化过程中产生脱落恢复了CNT的导电性质,而20S@CNT较厚的Si O层会形成势垒,阻碍电子在CNT三维网络中的传输,降低了电磁波的反射。研究还发现,随着Si O壳层的进一步提高,壳层的存在虽然阻碍了电子的传输,但也帮助CNT提升了其介电性能,S@CNT在GP基体中形成电容性网络,有利于复合材料吸波效能的增强。当CNT掺入量为0.5 vol%时,40S@CNT/GP复合材料在频率为8.4 GHz的最小反射损耗(RL)值为-53.4 d B。为了进一步增加整个体系对电磁波的损耗,通过化学镀镍法和溶胶凝胶法在CNT表面先后引入镍(Ni)层和Si O层,形成S@Ni@CNT双层核壳结构,当CNT和Si O保持相同掺入量时,40S@Ni@CNT/GP复合材料在频率为6.7 GHz的RL值达到-68.3 d B。双层核壳结构的引入既帮助优化了GP复合材料的阻抗匹配和衰减特性,也提升了CNT在GP基体中的分散效果。在力学性能方面,随着40S@Ni@CNT的引入,Si O壳层帮助调节CNT与GP之间的界面失衡,使GP的断裂韧性K值从0.41提高到0.56 MPa·m,这主要归咎于Si O层与GP基体之间良好的界面结合作用以及CNT在GP基体中的良好分散。