三聚氰胺衍生的电磁功能材料及其性能研究

作     者：刘洪收 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱磊

授予年度：2023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：电磁功能材料 三聚氰胺 氮化硼 碳纳米管 多维异质结构 

摘      要：随着5G通信技术和各种微型化电子设备的快速发展,科学技术的进步极大地丰富了我们的日常生活,但随之而来的电磁辐射污染已成为不可忽视的问题,如人体损害,信息泄露,环境污染等。因此研究新型电磁功能材料(透波材料和吸波材料)解决以上问题显得尤为重要。三聚氰胺作为一种常见的化工原料,具有原料丰富,成本低,含氮量和碳量高等优势。为了探究三聚氰胺在电磁功能领域中潜在的应用价值,我们以三聚氰胺作为原材料,利用不同的加工工艺赋予其不同的性能,以制备新型三聚氰胺衍生电磁功能材料。具体来说,本文以三聚氰胺作为原材料之一,分别与硼酸、金属盐(氯化镍)和金属氧化物粒子(氧化镍)进行不同工艺处理,以获得具有优异性能的电磁功能材料。借助常见的表征手段,如X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM),对其进行物相和结构上的表征,利用矢量网络分析仪(VNA)和LCR表对电磁参数进行测试。本文的主要工作内容包括:(1)以硼酸、三聚氰胺和聚乙二醇(PEG)为原材料,采用前驱体热解法制备了具有高比表面的六方氮化硼纳米纤维。考察并优化了不同的前驱体干燥方式(空气干燥、真空冷冻干燥)和PEG含量对其形貌和比表面积的影响。结果表明:随着硼酸与三聚氰胺的比例的增加,h-BN纳米纤维的直径逐渐增大;经冻干处理后h-BN纳米纤维的长径比从20提高到30,比表面积也由烘干处理的65.25 m2/g增加到319.07 m2/g。另外,PEG的添加也明显提高了比表面积。当PEG含量达到2%时,由烘干前驱体制备的h-BN纳米纤维的比表面积与未添加PEG的相比增加了 12.4倍,达到874.58 m2/g。而且,所制备的h-BN纳米纤维的介电常数和介电损耗都很低,有望应用于透波材料领域。(2)以三聚氰胺衍生的石墨状氮化碳(g-C3N4)和氯化镍为原材料,原位构建了三维多界面竹节状碳纳米管网络结构(Ni@CNTs)。在石蜡中填充量仅为3 wt%时,得到的Ni@CNTs具有较好的电磁吸收性能。其中,0.2Ni@CNTs的最小反射损耗达到了到-31.7 dB,有效吸收带宽为6 GHz。详细研究了三聚氰胺在热解过程中的物相转换过程以及与金属盐发生的物相反应。结果表明,三聚氰胺会在热解过程中转换形成石墨状氮化碳(g-C3N4),并进一步分解成大量的C-N组分,对金属盐颗粒进行还原处理得到金属单质颗粒,并进一步催化形成碳纳米管结构。而且,大量存在的界面结构增加的材料的界面反射,改善了阻抗匹配,有利于材料微波吸收性能的改善。(3)对于微波吸收材料来说,高效构建多维异质结构以实现多组分、多损耗模式的协同仍然是一个巨大的挑战。我们在上述实验的基础上以三聚氰胺衍生的石墨状氮化碳(g-C3N4)和氧化镍为前体,采用简单的金属氧化物模板法,获得了一种苍耳状的Ni@C-CNTs多维异质球。结果表明,金属氧化物在热解过程中易于团聚以形成异质球结构,碳纳米管和异质球形成的导电网络不仅增加了材料的传导损失,而且促进了材料内部的多次反射吸收。此外,这种苍耳状异质结构具有许多缺陷和界面,有效地实现了包括传导损失、界面极化和偶极极化在内的各种损耗机制的协同作用。当填充量为30 wt%时,Ni@C-CNTs异质球的最小反射损耗可达-41.60 dB,厚度为2.4 mm,有效吸收带宽可达4.1 GHz。