柔性多孔导电材料的制备与太赫兹吸收性能研究

作     者：杨键 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任旭东;谈静

授予年度：2022年

学科分类：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：柔性多孔导电材料 碳化海绵 碳化植酸 湿度调制 太赫兹吸收器 

摘      要：太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz之间的电磁波,因其独特的波谱位置而兼具微波与红外的优点,目前已在非接触成像、安全检查、无线通信等领域具有广泛的应用前景。因此,具有高性能的THz吸波器与THz调制器的研发显得尤为重要。而在THz器件研究过程中,功能材料扮演着不可替代的角色,决定着器件对THz波的透射、反射和吸收性能。本文从材料角度入手,制备了两种柔性多孔导电材料,并对其THz吸收性能进行了研究,重点分析了材料物理化学结构与THz吸收性能间的“构-效关系。主要研究内容和结论如下:基于碳化海绵的柔性、高效、宽频THz吸收器:以廉价的商业海绵为原料,通过无氧高温煅烧的方式,调控煅烧温度,制备出了柔性多孔碳化海绵。利用扫描电镜、能谱、热重、拉曼等分析测试手段对材料的表面形貌、微观结构进行了表征,实验结果表明高温煅烧后,样品仍保留原有海绵的柔性、轻质和三维孔洞的结构特点。且随着煅烧温度的增加,样品石墨化程度增加,导电性提高。对样品的THz屏蔽与隐身性能进行了测试,测试结果表明,随着煅烧温度的增加,样品的THz隐身和屏蔽性能逐渐增加,在厚度6 mm,煅烧温度达到900℃时,屏蔽效能达到最高值(49 d B,～99.999%),最大反射损耗(RL)可达47 d B,有效频谱范围在0.2到3.5 THz之间,优于目前已报道的多数碳材料。而在煅烧温度达到1000℃时,由于阻抗匹配问题,THz波在样品表面的反射增强,不利于THz隐身应用。碳化植酸负载海绵复合物的湿度THz调制特性:以含较多磷酸根的植酸为原料,通过高温煅烧的方式,调控煅烧温度制备了磷酸根含量不同的碳化植酸,并将其负载在三聚氰胺海绵中,制备了碳化植酸@海绵复合材料。通过电镜、能谱、热重、红外、Zeta电位等测试手段对碳化植酸以及其复合材料的结构性能进行了表征。实验结果表明,随着碳化程度的增加,碳化植酸石墨化程度加深,植酸根含量逐渐减少。在煅烧温度大于500℃时,碳化植酸变为导体。碳化植酸负载在海绵网络结构上,并未改变海绵孔洞大小。通过改变环境湿度研究了湿度对复合材料THz吸收性能的影响。实验结果表明:干燥状态,由于高温煅烧提高了材料的导电性,碳化植酸负载海绵复合物对THz波的吸收强度逐渐增加;在湿度环境下,由于碳化植酸表面磷酸根的电离,低温煅烧获得的碳化植酸导电性增加,THz透射与反射率显著减小;而高温煅烧的碳化材料由于表面几乎不含易于电离的官能团,THz透射与反射率几乎无明显变化。