嵌有Co颗粒的N掺杂非晶碳层对碳纳米线圈的表面修饰及其微波吸收性能研究

作     者：左学清 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘路军

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：碳纳米线圈 表面修饰 N掺杂 Co锚定 微波吸收 

摘      要：近年来,随着5G通讯技术和电子工业的迅猛发展,电子通信设施以及集成电路高频器件的电磁辐射所带来的电磁污染和电磁干扰问题越来越受到人们的广泛关注和重视,微波频段的高效吸波材料也成为了该领域的研究热点。碳纳米材料例如碳纳米管(CNTs),碳纳米纤维(CNFs),石墨烯等,以其轻质、物化性能稳定和复合性优良等优点成为电磁波吸收剂研发的优选材料。然而,碳材料作为吸波剂仍存在以下问题:(1)吸波机制相对单一,且导电性较高,易引起阻抗失匹。(2)易发生团聚和堆叠,不利于碳材料在复合体系中的均匀分散,影响了性能的稳定性。因此,研发一种导电性适宜、分散性优良、阻抗匹配特性良好、多种损耗机制协同的碳纳米复合材料是提高碳基吸波材料性能的有效途径。碳纳米线圈(CNC)具有特殊的手性螺旋结构,导电性适中可调,分散性优异。因此,以CNC为骨架和其它介电或磁性纳米材料相复合,不仅可以改善碳纳米材料的团聚和阻抗匹配问题,还可以充分利用手性-介电-磁性的协同增强效应,改善吸波性能。本工作首先研究了纯CNC添加的石蜡复合吸波剂的电磁波吸收特性。实验证明:CNC的填充率仅为6%的吸波剂,在厚度分别为3.2和2.2 mm时,基本实现了对X和Ku波段的有效吸收;填充率为8%,厚度为2 mm时,有效吸收带宽达到了5.9 GHz,显示出了优异的微波吸收能力。这主要归因于CNC结构中大量的多晶-非晶界面的界面极化所诱导的极化损耗、独特的手性螺旋形态引起的交叉极化损耗和分散性优良且导电适中的CNC三维网络对阻抗匹配的改善。在此基础上,通过湿化学法在CNC表面上原位生长了ZIF-67(沸石咪唑骨架结构)。通过进一步的热分解,在CNC表面成功修饰了一层多相的嵌有金属Co颗粒的氮掺杂非晶碳层,该复合体系命名为Co@N-Carbon/CNCs。碳层里的氮掺杂丰富了极化损耗;均匀锚定在层中的Co纳米颗粒引入了磁损耗,进一步增强了复合物的微波吸收能力,同时改善了其低频吸波性能。与纯CNC吸收剂相比,Co@N-Carbon/CNCs在较低的频率范围内实现了更高的微波吸收能力,最小反射损耗(RL)明显降低了10 d B;在X波段,吸收剂的厚度从3.2减少到2.8 mm;在Ku波段,则从2.2减少到1.9 mm。本工作还研究了600,700和800°C的热解温度对多级复合结构吸波性能的影响。实验表明,随着热解温度的升高,ZIF-67生成的非晶碳层中氮掺杂量减少,而石墨化程度升高。当热解温度升高至700°C,样品在6.7 GHz的RL达到-61.53 d B,其Ku波段的有效吸收所对应的膜厚由1.9进一步降至1.6 mm,石墨化程度的提高使其在膜厚和强度上表现优异;另一方面,有效吸收带宽(EAB)从5.6降至4.3 GHz,氮掺杂的进一步降低则导致EAB降低。本研究工作证实了手性螺旋结构体的优秀吸波特性,并为其表面修饰和改性提供了一种有效的设计思路和实施方法。