POMs/纤维素衍生碳纤维基复合材料的制备及吸波性能研究

作     者：齐一鸣 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张娜

授予年度：2024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：吸波材料 细菌纤维素 多金属氧酸盐 吸波性能 

摘      要：现如今,数字设备的普及和电磁技术的进步使我们的生活更加方便。同时,利用电磁波还可以为科学研究和国防领域提供先进的技术,如精密仪器、电磁对抗和军事隐身技术。然而,电子设备产生的电磁污染也受到了广泛关注。与此同时,用于吸收电磁污染的材料研究也相应展开。碳材料中,碳基气凝胶作为一种具有三维互联网络的高孔材料受到人们广泛关注。细菌纤维素（Bacterial cellulose,简称BC）碳化后就可作为碳纳米纤维基气凝胶来制备吸波材料。但由于导电性过高会导致阻抗匹配效果差。所以,采用引入多金属氧酸盐（Polyoxometalats,简称POMs）,其热处理后衍生的过渡金属及化合物可以调整碳纤维高导电性,以获得平衡的阻抗匹配和衰减能力。 本课题主要围绕POMs/BC衍生碳纤维基复合材料,通过不同的方案分别制备了几种具有优良吸波性能的新型轻质吸波材料。论文包括以下3个部分: （1）基于POMs与BC的液态扩散以及高温碳化策略,制备出三维多孔导电网络结构的多晶多相过渡金属及其化合物负载碳纤维基纳米复合吸波材料。通过改变元素种类、干燥方式和调整填充量,可以实现对电磁参数以及吸波性能的调谐。优异的吸波性能归因于极化与电导的协同作用、平衡的阻抗匹配、良好的界面/偶极极化以及多次反射和散射。合成的最佳样品20%-α-PW11Ni/BC衍生碳纤维基材料具有优异的电磁波吸收性能,在2.6mm匹配厚度下,最大反射损耗（RL）值为-68.1 d B,有效吸收带宽为7.2 GHz,在2.2-5.0mm厚度范围内反射损耗小于-10 d B的频带范围为5.3-18.0 GHz。 （2）在氩气环境下,得益于BC独特的空间结构与POMs衍生的金属化合物的液态混合,经碳化处理,得到一种新型的Na10[Co4（H2O）2(PW9O34)2]·27H2O(简称Co4P2W18/BC)衍生碳纤维基纳米复合材料。充分利用碳纤维基体网络的三维结构带来的阻抗匹配和良好的传导损耗,并合理集成许多个异质界面以增强界面极化,以及缺陷诱导的偶极极化,都是有效优化复合材料的吸波性能和损耗机制的重要方法。当负载率为20 wt%时,厚度为2.9 mm的Co4P2W18/BC衍生碳纤维基纳米复合材料最大反射损耗可达-52.2 d B,在2.0-4.4mm厚度范围内反射损耗小于-10 d B的频带范围为13.1 GHz（4.9-18 GHz）,部分覆盖C频段和完全覆盖X-Ku频段。 （3）将两种不同方案制得的多金属氧酸盐分别采用不同的比例与BC进行复合,在惰性气体下进行高温碳化处理得到铁钨化合物负载BC衍生碳纤维基纳米复合材料。尤其是BC的多孔结构增强碳纤维的功能性,网状结构保证碳纤维的连续性。通过测试其吸波性能,当石蜡填充率为20 wt%,Fe PW/BC衍生碳纤维基纳米复合材料最大反射损耗可达-51.5 d B,此时厚度为2.6 mm,频率为9.3 GHz。在匹配厚度为2 mm时的最宽有效频带宽为5.1 GHz。在2.0-5.0 mm厚度范围内反射损耗小于-10 d B的频带范围为10.6 GHz（4.2-14.8 GHz）,填充率为20%的五个样品整体的有效频带宽基本都覆盖C、X和Ku频段。