多级层次结构负载纳米粒子的电磁吸收性能及机理研究

作     者：宋晓龙 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈向南

授予年度：2023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：纳米粒子 多级层次结构 杂化 原位聚合 电磁吸收 

摘      要：载运工具现代化及信息化进程的推进,使得电磁辐射污染问题日益严重,对交通运输及人类生活的安全保障提出了更加严峻的挑战。探索宽频兼容且频段可控、吸收更强且质量更轻的新型电磁吸收材料已迫在眉睫。相较于传统电磁吸收材料,纳米粒子由于其特殊的小尺寸效应和大比表面积,是潜在的新型高性能电磁吸收材料的选择之一。然而,纳米粒子的粒径越小越难稳定均匀负载,严重制约了极小尺寸纳米粒子的性能发挥和实际应用。本论文以多级层次结构负载纳米粒子为研究主体,探讨了极小尺寸纳米粒子在多级层次结构上的均匀负载方案。选择了纳米四氧化三铁和纳米金刚石两种小尺寸纳米粒子作为研究基元,采用聚苯胺及聚多巴胺等聚合物原位聚合分散及桥联策略实现了系列多级层次结构负载纳米粒子的可控制备,明晰了小尺寸纳米粒子表面杂化及相态调控对电磁吸收性能的影响规律,对负载纳米粒子型电磁吸收材料设计具有重要指导意义。主要研究内容包括:(1)采用苯胺两步聚合法制备得到了石墨烯负载纳米四氧化三铁多级层次结构。研究发现,纳米四氧化三铁在超薄石墨烯片上的有效分散促使高频磁导率突破了snoke极限的约束,使得磁损耗和介电损耗在高频协同匹配。在11.4 GHz时,聚苯胺/纳米四氧化三铁/石墨烯杂化结构的最佳反射损耗峰值可达-57.2 d B,-10 d B以下的有效带宽可达13.2 GHz,覆盖4.8-18 GHz。(2)利用多巴胺分子的两亲性,采用原位聚合分散及包覆碳化的方案,制备得到异相多级空心碳球负载纳米金刚石杂化结构。结果表明,空心碳球负载纳米金刚石杂化结构在5 wt.%的极低填充量下表现出兼并的电磁吸收和热阻隔特性。最佳反射损耗峰值可达-47.1 d B,厚度为2.15 mm,-10 d B以下的有效带宽可达3.4 GHz。研究发现,纳米金刚石在多层次空心碳球结构上的均匀负载,提供了多重C-N杂化中心以及异质/异相多界面协同网络,同时促进了电磁吸收和热阻隔。(3)为进一步明晰纳米粒子表面相态调控对电磁吸收性能的影响规律,以纳米金刚石为模型物,探究了不同表面碳相组成纳米金刚石的电磁吸收性能差异。研究发现,随N保护氛围下热处理温度从400℃升高到1600℃,纳米金刚石表面金刚石相不断转变为石墨相,电磁响应峰逐渐向低频移动。热处理温度为1200℃时,表现为更优的电磁吸收性能,在厚度为2 mm时,最佳反射损耗峰值可达-17.5 d B,有效带宽为4.3 GHz。