CoO/MWCNTs复合材料的制备及其吸波性能研究

作     者：杨燕伟 

作者单位：西北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贠江妮

授予年度：2022年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：电磁波吸收 CoO MWCNTs 纳米复合材料 

摘      要：通信技术和大型电子设备的迅速发展和普及,为经济增长和国民生活水平的提升起到了重要作用。但是,伴随而来的电磁波辐射和污染,不仅导致精密电子仪器和设备的非正常运行,而且威胁人类身体健康。因此,探索高性能的电磁波吸收材料有着十分重要的现实意义。Co基材料在电磁波吸收领域逐渐引起广泛的关注。但是,单一Co基材料电磁波吸收体的大密度、阻抗失配和窄频带阻碍了其在吸波领域的实际应用。因此,将拥有强介电损耗的材料与之结合构建阻抗匹配度高、衰减能力强的复合吸收体已成为吸波领域研究的热门课题。本文首先制备了具有特殊结构的空心CoO纳米材料,然后分别通过物理组装和水热工艺将空心CoO与多壁碳纳米管(MWCNTs)复合,构建高性能的电磁波吸收体。探索了空心CoO纳米材料的生长机理及CoO/MWCNTs复合物的吸波机理,并系统研究了填充比和MWCNTs含量对复合物吸波性能的影响。主要研究结果如下:(1)探索空心CoO纳米材料的制备工艺及生长机理。以水热法制备的Co(OH)六角纳米片为前驱体,通过调节退火温度、退火时间以及升温速度,探索甜甜圈状空心CoO纳米材料的生长条件,并使用XRD、SEM对所制备样品的结构和形貌进行表征。结果表明,退火温度和升温速率是影响空心CoO形成的主要原因。退火温度为450℃、升温速率7℃/min、保温时间为2 h时,生成较为均匀的空心CoO纳米结构。空心CoO纳米结构的生成的主要归因于奥斯特瓦尔德熟化。所制备样品在填充比为30 wt%,样品厚度为5.0 mm时的最低反射损耗值(RL)仅为-4.10 d B,未能展示出良好的吸波性能。(2)通过机械混合法将空心CoO和质量百分比为7%的MWCNTs物理混合得到CoO-MWCNTs混合材料,研究了不同填充比(15 wt%、20 wt%、25 wt%、30 wt%、35 wt%)对CoO-MWCNTs混合材料电磁波吸收性能的影响。结果表明:待测样品的填充比为25 wt%时,在3.0 mm厚度下的RL为-43.22 d B,有效吸收带宽(EAB)为2.35 GHz,并且在1.5 mm厚度下的EAB达到了3.97 GHz。当填充比为30 wt%时,待测样品在1.5 mm超薄厚度下的RL为-37.32 d B,EAB为4.45 GHz,显示出良好的电磁波吸收性能。(3)采用水热法制备空心CoO/MWCNTs纳米复合材料,系统研究了不同填充比和MWCNTs含量对复合材料吸波性能的影响。研究结果表明,填充比为30 wt%,MWCNTs含量为7%时,样品展示出优异的吸波性能。复合材料的最低反射损耗为-72.57 d B,匹配厚度为2.0 mm,EAB达到4.18 GHz;在1.5 mm的超薄厚度,样品也具有-42.10 d B的反射损耗和3.30 GHz的有效吸收带宽。对比研究发现,水热法制备的CoO/MWCNTs复合材料的吸波性能明显优于物理混合得到CoO-MWCNTs混合材料。这是因为CoO/MWCNTs纳米复合材料拥有更多的异质界面,这有利于促进界面极化效应和提升介电损耗性能;空心CoO纳米结构大的比表面积,使得复合样品具有多重反射、散射特性,可以衰减更多的电磁波;MWCNTs穿插交织在空心CoO周围,更易于形成空间导电网络,使电子在复合材料内部快速转移和跃迁,从而促进了电导损耗;加之复合材料优良的阻抗匹配,使得CoO/MWCNTs纳米复合材料表现出优异的吸波特性。