利用煤加氢气化残渣构建Fe3O4、Fe负载的复合微波吸收材料

作     者：毛璐涛 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：力国民

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：微波吸收材料 煤气化残渣 复合材料 阻抗匹配 

摘      要：随着5G时代的来临,电磁辐射污染问题也变得愈发严重。一系列微波吸收材料被开发出来治理这一问题,特别的,磁性碳基复合吸波材料因吸收强度高,吸收频带宽,物理化学性能稳定而被广泛的研究,然而,高昂的碳基成本,复杂的工艺流程以及难以规模化生产限制了碳基复合材料在微波吸收领域的工业化发展。另一方面,鉴于我国富煤,贫油,少气的能源构造特征,使得近年来煤气化技术在我国取得了快速发展,但同时产生了新型的固体废弃物—煤气化残渣。基于此,本论文以煤加氢气化残渣为基体,采用简单的液相浸渍法和原位碳热还原法制备了一系列负载磁性组分的碳基复合吸波材料,结果表明:制备的复合材料具有较好的微波吸收性能,这项工作不仅有望推动磁性碳基复合材料在微波吸收领域的工业化发展,而且为煤气化残渣的资源化利用提供了有效途径。具体工作如下:(1)以煤加氢气化残渣(SC)为碳源,硝酸铁溶液为磁性粒子的来源,通过简单的液相浸渍将硝酸铁盐溶液引入到煤加氢气化残渣基体上,随后在氩气气氛下经不同温度的焙烧处理得到负载不同磁性组分的复合吸波材料FeO/SC及Fe/SC。利用基体本身的碳作为反应体系的还原剂,磁性粒子FeO和Fe原位复合在基体SC表面上,并且整个过程不需要引入其他还原性气体,因此更加安全和低成本化。结果表明:制备的复合吸波材料均有一定的石墨化碳存在,负载磁性金属Fe颗粒使得材料的吸波性能有了明显的提升,调节涂层厚度可以改变反射损耗峰的位置和相应反射损耗值(RL)。特别地,涂层厚度仅为2.5 mm时,Fe SC800的最小RL值在9.0 GHz时可以达到-39.3 d B,对应的频带宽度约为2.5 GHz。优异的微波吸收性能归因于Fe SC800良好的阻抗匹配、电导损耗以及多重界面极化。(2)对FeO/SC及Fe/SC的磁性负载量进行了优化,从而调控了它们的吸波性能。特别地,样品30wt%Fe SC500在涂层厚度为5.5 mm时出现了双峰吸收。最低反射损耗值(RL)分别在5.6,17.9 GHz达-18.1,-17.8 d B,有效吸收带宽可达3.3 GHz。样品15wt%Fe SC800在涂层厚度仅为1.5 mm时,相应的有效吸收带宽可达4.5 GHz。通过增量函数法计算的|Δ|值表明改变磁性组分的负载量可以调控复合材料的阻抗匹配,从而影响它们的微波吸收性能。(3)对煤加氢气化残渣基体进行高温扩孔处理,随后通过简单的湿化学法和中等温度焙烧制备了孔隙度更为丰富的碳基吸波材料FeO/PSC、Fe/PSC。由于高温扩孔后基体PSC丢失掉了一部分活性较高的碳,复合材料的石墨化程度变差,微波吸收性能与未经扩孔的处理相比并未有所提升,样品Fe PSC1000的RL可达-25.3 d B,有效吸收带宽为3.8 GHz。但扩孔后的复合材料表现出了较低的堆积密度(0.159 g/cm),经高温扩孔后的煤加氢气化残渣作为吸波材料的载体更为轻质化,应用前景更为广泛。