铈基复合材料的制备及其吸波性能的研究

作     者：黄心萌 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴广磊

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：二氧化铈 结构调控 组分设计 阻抗匹配 电磁波吸收性能 

摘      要：随着电子通讯设备的普及,不可避免地会产生严重的电磁污染。与物理危害相比,电磁干扰日益突出,它不仅会限制先进电子器件的性能,可能导致严重的经济损失。由此,研究宽频、高衰减能力的电磁波(EMW)吸收材料迫在眉睫。然而目前一些传统的吸波材料普遍不具有解决现有电磁污染的能力,因此新型多要求高性能吸波材料的设计以及制备成为主要的研究方向。二氧化铈材料具有化学稳定性好、易合成、成本低、介电可调以及存在氧空位缺陷等优点被认为是具有发展前景的电磁波吸收候选材料。但是单纯的二氧化铈材料具有阻抗不匹配等缺点,导致其电磁波性能并不优异,因此我们对二氧化铈材料进行结构调控和组分优化,通过改善铈基材料的阻抗匹配以及赋予其更多的衰减损耗机制,提升二氧化铈材料的吸波能力,使其能够更好满足实际应用的要求。具体研究内容与结论如下:(1)对二氧化铈材料进行组分优化:以松塔作为生物质碳源,采用KOH松塔活化技术以及后续高温碳化工艺,成功制备了三维多孔碳材料。之后通过调节铈盐的添加量,采用简单的溶剂热反应制备了一系列Ce O/多孔碳材料。多孔碳所形成的3D导电网络提高了铈基材料的电磁损耗能力。结果表明,Ce O/多孔碳复合材料显示出增强的EMW吸收性能。S3在1.9 mm的低厚度下,具有-56.04 d B的最小反射损耗(RL),在厚度为2.1 mm时,最大有效吸收带宽(EAB)为5.28 GHz。其卓越的电磁波吸收性能归因于多孔碳导电框架网络,异质界面的多界面极化以及Ce O独特结构导致的氧空位缺陷产生的偶极极化的共同作用。(2)对二氧化铈材料进行结构设计:通过水热法制备了Ni Ce O修饰的碳纳米管(CNTs)复合材料。通过调整镍盐和铈盐的添加比例可以形成不同形貌的Ni Ce O,并且在随后的合成过程中引入CNTs,一方面其可以有效防止Ni Ce O纳米片的聚集,另一方面CNTs的交织形成的3D网络有利于提高传导损耗。除此之外,CNTs与Ni Ce O之间以及Ni Ce O内部多层异质界面置于电磁(EM)场时会产生大量的界面极化,CNTs酸化后产生的羧基等官能团和Ce O的氧空位缺陷可以充当极化中心导致偶极极化。由于阻抗匹配的改善和多重损耗机制的产生,Ni Ce O/CNTs复合材料获得了优异的EMW吸收性能,在匹配厚度仅为1.9 mm时,就可以获得-53.2 d B的最小RL值;在厚度为2.3 mm时,实现了5.04 GHz的最大有效带宽。(3)丰富二氧化铈材料的损耗机制,磁损耗与介电损耗协同作用:我们报道了在室温下通过溶剂介导的合成Ce-Co PBA的结构演化。通过调节溶剂比例,Ce-Co PBA由六角形双锥体结构逐渐转变为树枝状结构,之后高温退火Ce-Co PBA制备出多孔树枝状Ce O/Co@CNT复合材料。碳纳米管的生成促进导电网络的生成,同时,石墨碳的生成引入大量缺陷作为极化中心,进一步弥补了铈基材料介电损耗能力不足的缺点。且正负电荷在异质界面两边聚集使得材料具有突出的界面极化效应。除此之外,磁性Co颗粒的生成也弥补了二氧化铈材料不具有磁损耗能力的缺点,极大丰富了铈基材料的损耗机制。最终,借助介磁协同能力的出色发挥,Ce O/Co@CNT复合材料在2.5 mm处实现了-51.68 d B的最小反射损耗,并且EAB可以达到7.76GHz。