多功能聚合物基复合吸波气凝胶的制备及性能研究

作     者：刘德运 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱曜峰

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：复合气凝胶 定向多孔结构 聚苯胺 吸波性能 动态调控 

摘      要：电磁辐射和干扰问题不仅给军事及信息安全带来严重挑战,同时给人类生活与健康带来极大的威胁。新型高性能吸波材料的应用已然成为解决电磁信息安全和电磁污染问题的重要技术手段之一。然而,在应对当前复杂电磁环境变化上,现有吸波材料体系吸波频带受到材料固有特性限制难以满足现实应用需求。针对这一关键技术瓶颈,本文提出建立吸波材料电磁参数动态调控方法,突破现有常规设计思路,以拓展材料体系的有效吸波频带。研究以苯胺单体为原料、聚乙烯醇为基体,通过定向冷冻和低温原位聚合法制备具有三维有序结构的聚苯胺/聚乙烯醇(PANI/PVA)复合气凝胶,探讨机械压缩应变对复合气凝胶结构、电磁参数以及吸波性能的可控调节;研究通过引入螺旋碳纳米管(HCNTs)组分,制备了HCNTsPANI/PVA复合气凝胶,以进一步提高复合气凝胶的力学特性和电磁损耗能力。在此基础上,选择形状记忆水性聚氨酯(WPU)为基体,制备形状记忆水性聚氨酯基复合气凝胶,重点探讨复合气凝胶的形状记忆响应过程对体系吸波性能的响应型动态调控机制,为探索应对复杂电磁环境的新型高性能响应型吸波材料提供理论参考。具体研究内容如下:首先,研究以苯胺单体为原料、聚乙烯醇为基体,采用低温原位聚合和定向冷冻法制备具有三维有序结构的PANI/PVA复合气凝胶。研究对复合气凝胶的形貌和结构进行了系统分析,结果表明:PANI/PVA复合气凝胶形成了三维有序结构,且低温原位聚合生成的PANI均匀分布于复合气凝胶骨架表面,形成良好的导电网络通路。红外热成像分析仪分析表明,PANI/PVA复合气凝胶显示了优异的隔热性能,且优于现有商业材料。采用矢量网络分析仪测试了复合气凝胶的电磁参数,通过传输线理论计算其吸波性能,并探讨了吸波机制。结果显示:苯胺单体浓度为0.2mol/L所制备的PANI/PVA复合气凝胶显示了优异的吸波性能。当试样厚度为3.8mm时,其最小反射损耗值达-26.85 d B,有效吸收带宽为3.08 GHz(9.33 GHz～12.40GHz)。同时,通过对PANI/PVA复合气凝胶进行机械压缩调控,可实现试样吸波特性的规律性调节,且吸波性能得到明显改善。其次,为进一步提高PANI/PVA复合气凝胶的力学特性和吸波性能,通过引入螺旋碳纳米管(HCNTs)组分,制备了HCNTs-PANI/PVA多组分复合气凝胶。通过对材料的形貌和结构分析显示,HCNTs-PANI/PVA复合气凝胶同样具有三维结构,呈现垂直定向、规整的孔道结构,且孔道骨架上接枝有均匀的纤维状组分,主要是HCNTs和PANI组分。研究对HCNTs-PANI/PVA复合气凝胶的力学特性和吸波性能作进一步分析,结果表明:HCNTs组分的引入,同时提高了复合气凝胶的力学特性和吸波性能。HCNTs浓度为5 mg/m L,苯胺单体浓度为0.1 mol/L所制备的HCNTs-PANI/PVA复合气凝胶比PANI/PVA复合气凝胶压缩应力提高45%,压缩模量提高103%;此外,该复合气凝胶显示了优异的吸波性能。当试样厚度为5.2mm时,其最小反射损耗值达-69.08 d B,有效吸收带宽为4.20 GHz(8.20 GHz～12.40GHz)。同时,在压缩调控下,HCNTs-PANI/PVA复合气凝胶的介电常数实部值随压缩应变增加而提高;介电常数实部虚部随压缩应变的提高呈现先增加后减小趋势。在压缩应变为20%时,复合气凝胶吸波性能最优,其最小反射损耗为-76.29 d B,有效吸波频宽为3.30 GHz(9.11 GHz～12.40 GHz)。最后,针对复杂电磁环境的应用场景,提出赋予复合气凝胶吸波性能的动态响应调控特性的研究思路,研究以形状记忆水性聚氨酯(WPU)为骨架基体,制备具有温度响应特性的形状记忆HCNTs-PANI/WPU复合气凝胶。研究对复合气凝胶的形貌和结构进行表征分析,结果显示:HCNTs-PANI/WPU复合气凝胶同样具有垂直定向的孔道结构,且孔道表面平滑、孔径大小规整,HCNTs-PANI功能组分主要分布于WPU基体中。研究进一步探讨了HCNTs-PANI/WPU复合气凝胶形状记忆性能和吸波性能,分析结果表明:HCNTs和PANI组分的引入提高了WPU气凝胶的机械性能,其压缩强度和压缩模量最高分别提高了2.6和3.6倍,且对气凝胶的形状记忆性能未产生明显负面影响。其中,HCNTs浓度为5 mg/m L,苯胺单体浓度为0.1 mol/L所制备的HCNTs-PANI/WPU复合气凝胶展现出优异的吸波性能,其在厚度为3.96 mm,频率为11.66 GHz处的最小反射损耗为-65.58 d B,有效吸波频宽为3.13 GHz(9.28 GHz～12.40 GHz)。同时,HCNTs-PANI/WPU复合气凝胶在0%～30%压缩应变过程中,介电常数