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线性/铁电多层结构复合介质介电与储能特性研究

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线性/铁电多层结构复合介质介电与储能特性研究

作者：杨智捷哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

时代的进步发展对于清洁能源需求提出了更高的要求,聚合物电介质电容器作为清洁能源器件,广泛应用在新能源汽车、电子通讯、高功率脉冲电源等重要领域中。然而,聚合物本身高绝缘特性与高极化特性二者难以兼得。为解决击穿场强和介电常... 详细信息

时代的进步发展对于清洁能源需求提出了更高的要求,聚合物电介质电容器作为清洁能源器件,广泛应用在新能源汽车、电子通讯、高功率脉冲电源等重要领域中。然而,聚合物本身高绝缘特性与高极化特性二者难以兼得。为解决击穿场强和介电常数间存在的强耦合问题。本文采用线性聚合物聚碳酸酯PC和铁电聚合物介质聚偏氟乙烯-三氟乙烯P（VDF-Tr FE）为基体,调整二者相对位置制备三明治与多层结构全有机复合介质,利用多层界面抑制载流子迁移,改善并提高复合介质的介电与储能特性。首先通过溶液流延法和静电纺丝法制备了纯PC和P（VDF-Tr FE）介质,以PC作为外层和内层设计了正反三明治结构复合介质。保持复合介质总厚度不变,调节P（VDF-Tr FE）厚度作为体积分数变量。研究发现,复合介质的介电性能与温度有紧密变化的特点,温度上升提高了复合介质的活化能使得正三明治结构复合介质界面极化程度高于反三明治结构复合介质。当P（VDF-Tr FE）体积分数为23.34 vol%,正三明治结构复合介质可以在520 k V/mm的电场强度达到10.89 J/cm放电能量密度和84.87%的储能效率。然而随着P（VDF-Tr FE）体积分数的增加,反三明治结构复合介质击穿场强降低严重,其储能特性低于正三明治结构复合介质。随机击穿模拟表明了正三明治结构复合介质比反三明治结构复合介质更有效抑制导电通路并且提升了击穿场强。为进一步提升复合介质绝缘特性,在三明治结构基础上增加层数至五层制备多层结构复合介质。研究发现,随着P（VDF-Tr FE）体积分数增加,当PC在外层时,多层结构复合介质击穿场强与极化强度同正三明治结构复合介质一致都呈现先增加后减小的趋势;当PC在内层时,多层结构复合介质的击穿强度和极化强度虽然相比反三明治结构复合介质明显增强,但仍然保持降低的趋势。分别在660 k V/mm和500 k V/mm的电场强度下实现了11.634 J/cm和9.16 J/cm放电能量密度以及85.37%和87.79%的储能效率。多层结构复合介质相比三明治结构复合介质可以更显著抑制电极处载流子注入,界面电荷积累比三明治结构积累较多,层间耦合作用更强。并且多层结构对复合介质的电场分布合理调控,有效改善电场畸变。使得每层介质承受的电场强度分别高于PC和P（VDF-Tr FE）。综上,本文采用线性/铁电多层结构的设计策略利用逐层堆叠优势与分层效应配合,增强界面间相互作用缓慢降低载流子在不同层中的迁移速率,提升了聚合物电介质的介电与储能特性。

关键词：复合介质三明治结构多层结构储能特性分层效应界面极化

含蜡原油电场改性效果稳定性及其影响因素研究

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含蜡原油电场改性效果稳定性及其影响因素研究

作者：徐苗苗中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

在凝点附近对含蜡原油施加电场作用,可显著改善原油低温流动性。与其他改性方法一样,原油的电场改性效果会受到处理条件、原油组成的影响,但二者对改性效果稳定性的影响还未见报道。为此,本文首先探究了电场强度对含蜡原油电场改性效果... 详细信息

在凝点附近对含蜡原油施加电场作用,可显著改善原油低温流动性。与其他改性方法一样,原油的电场改性效果会受到处理条件、原油组成的影响,但二者对改性效果稳定性的影响还未见报道。为此,本文首先探究了电场强度对含蜡原油电场改性效果稳定性的影响,发现在实验测试范围内,对同一种原油施加的电场强度越大,电场改性效果越好,效果的维持时间越长。同时,本研究原位测试了油样阻抗性质,发现电场作用后油样阻抗显著增大,而在撤消电场后,油样阻抗随时间的延长又逐渐减小,且电场强度越大,该减小趋势越缓慢。推测更高强度的电场可以驱动更多的带电胶粒（胶质、沥青质）向蜡晶运移并黏附在其表面,撤去电场一定时间后,滞留在蜡晶表面的带电胶粒数目更多,因而宏观表现为电场改性效果维持得更好。随后,测试了经历不同条件剪切后的4种电场改性含蜡原油的流变性、蜡晶形态及阻抗性质。研究发现,剪切对4种原油的电场改性效果稳定性具有相反影响,即剪切不利于其中两种原油电场降黏效果的维持,却可以改善另外两种电场改性原油的低温流动性,且液相油带电胶粒浓度变化率与黏度变化率之间具有良好的正相关性:（35）η/η=0.172(（35）C/C) 。由此提出猜想:剪切既可剥离在电场驱动下附着在蜡晶表面的带电胶粒,又可增加液相中游离的胶粒与蜡晶的碰撞机会。对于液相黏度较低,且胶质、沥青质粒径较小的含蜡原油,剪切对胶粒的剥离作用占据上风,因此剪切应不利于该类原油改性效果的维持;反之,剪切则会使电场作用后的含蜡原油黏度进一步降低。本研究从液相油黏度、带电胶粒（胶质、沥青质）尺寸以及高速剪切效应三个方面对这一猜想进行了验证,结果均符合预期。本研究深化了含蜡油电场改性效果稳定性的认识,为电场改性技术的工程应用提供了参考。

关键词：含蜡原油电流变效应剪切稳定性界面极化

交联再生纤维素基介电复合材料的制备与性能研究

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交联再生纤维素基介电复合材料的制备与性能研究

作者：高梦航西南交通大学

学位级别：硕士

传统的介电聚合物常常是合成高分子,在合成或是分解过程中会产生有毒物质,不符合绿色环保的发展需求。随着资源的枯竭和环境的恶化,越来越需要一些绿色高分子来代替这种合成介电聚合物。纤维素作为自然界中含量最丰富的材料,具有良好的... 详细信息

传统的介电聚合物常常是合成高分子,在合成或是分解过程中会产生有毒物质,不符合绿色环保的发展需求。随着资源的枯竭和环境的恶化,越来越需要一些绿色高分子来代替这种合成介电聚合物。纤维素作为自然界中含量最丰富的材料,具有良好的生物相容性、无毒性并且可生物降解、可循环再生。因此纤维素成为最有潜力的绿色高分子材料之一,开发基于纤维素的介电复合材料也引起了研究者的广泛关注。但是由于纤维素难溶于普通有机溶剂,纤维素基介电薄膜的制备过程较为复杂。纤维素薄膜通常存在很多缺陷,这对于抑制纤维素基体的固有介电损耗非常不利。为了解决这一问题,从阐明微观结构与性能关系的角度出发,研究纤维素材料的介电性能对本征微结构的依赖性具有重要意义。此外,通过构筑填料与基体的过渡层来降低介电损耗,对制备具有优异介电性能的纤维素基复合材料至关重要。本课题以纤维素为聚合物基体,通过戊二醛(Glutaraldehyde,GA)交联的方式制备了具有致密结构的再生纤维素(Regenerated cellulose,RC)介电薄膜,并将二维导电填料MXene引入到基体中制备了纤维素基介电复合薄膜。研究了在GA交联过程中随着实验条件的变化,纤维素薄膜的介电与力学性能的变化规律,探讨了填料的含量变化及过渡层的存在对复合材料介电性能的影响。主要的研究结论如下:(1)将棉花纤维素溶解在LiOH/Urea/HO溶剂中制备得到RC薄膜,并且通过调节交联方式、GA浓度和交联时间,制备得到一系列交联再生纤维素(Crosslinked regenerated cellulose,CRC)薄膜。对制备得到的样品的结构与性能进行分析,发现相较于RC薄膜,CRC有着更强的相互作用、更小的表面粗糙度以及更均匀的结构。当GA的浓度为6 vol%,交联时间为30 min,采用凝胶后交联的方式得到的CRC薄膜有着更低的介电损耗(在电场频率为1 k Hz时,介电损耗为0.03),更高的击穿强度(336.55 MV m)和更好的力学性能(拉伸强度和拉伸模量分别为76.8 MPa和6.08 GPa)。(2)利用MXene的丰富的表面官能团,将其引入到纤维素基体中来提高材料的介电常数。为了进一步提高复合材料的介电性能,用戊二醛交联的方式来降低材料的介电损耗,增加其击穿强度。对制备的纤维素/MXene介电复合薄膜结构与性能进行分析,发现MXene与纤维素间有良好的氢键相互作用。结果表明,在MXene的含量为2 wt%且电场频率为1 k Hz时,复合薄膜的介电常数为8.24,介电损耗为0.071,击穿强度为246.78 MV m。(3)针对MXene在纤维素基体中介电损耗较高的问题,将聚多巴胺(Polydopamine,PDA)作为MXene与基体的过渡层,制备RC/MXene@PDA和CRC/MXene@PDA介电复合薄膜。通过研究填料的结构,发现PDA的包覆不仅能够增大MXene的片层间距,而且有助于MXene在聚合物基体中的均匀分散。除此之外。通过对MXene@PDA含量的调控,成功得到具有良好介电性能的复合材料。当MXene@PDA的含量为5 wt%和电场频率为1 k Hz时,复合薄膜的介电常数增加到30.28,介电损耗仅为0.06。同时,薄膜的击穿强度维持在较高水平(254.08 MV m),理论储能密度为8.65 J cm。

关键词：再生纤维素交联 MXene 界面极化介电性能

基于改性BT提高PVDF复合材料介电性能的研究

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化工新型材料 2023年第8期51卷 100-104,110页

作者：李素素姚军龙聂为江学良游峰曹茂华包金波武汉工程大学材料科学与工程学院武汉430073 湖北龙辰科技股份有限公司黄冈438000

以酒石酸为螯合剂对钛酸钡(BT)进行表面改性,制备改性BT/聚偏二氟乙烯(PVDF)两相复合材料,并对制备的复合材料做介电性能分析。结果表明:改性后的BT能显著地提高复合材料的介电性能,且随着改性BT体积分数的增加介电常数逐渐增大;当改性B... 详细信息

以酒石酸为螯合剂对钛酸钡(BT)进行表面改性,制备改性BT/聚偏二氟乙烯(PVDF)两相复合材料,并对制备的复合材料做介电性能分析。结果表明:改性后的BT能显著地提高复合材料的介电性能,且随着改性BT体积分数的增加介电常数逐渐增大;当改性BT体积分数增加到70%时,复合材料的介电常数在100Hz处为174,达到了最大值,与此同时系列改性BT复合材料的介电损耗能保持在较低水平,在100Hz处均为0.05左右。通过Lichtenecker对数方程对复合材料介电性能增强机制分析发现,酒石酸在BT表面的改性显著地改善了BT与PVDF基体的相容性,在BT表面形成了高介电性的界面弛豫区域,从而迅速提高了聚合物的介电性能。

关键词：钛酸钡介电性能聚偏二氟乙烯介电损耗界面极化

离子型表面活性剂微乳液中SiO2纳米粒子合成的介电谱研究

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离子型表面活性剂微乳液中SiO2纳米粒子合成的介电谱研究

作者：彭睿安徽农业大学

学位级别：硕士

纳米粒子在各领域应用广泛,制备方法多样,其中微乳液法操作简便且产物形貌均一,但这种方法仍存在许多问题,因此对微乳液法合成纳米粒子进行原位、实时监测研究有利于理解纳米粒子的形成机理。本论文通过介电谱方法对基于阴/阳离子型表... 详细信息

纳米粒子在各领域应用广泛,制备方法多样,其中微乳液法操作简便且产物形貌均一,但这种方法仍存在许多问题,因此对微乳液法合成纳米粒子进行原位、实时监测研究有利于理解纳米粒子的形成机理。本论文通过介电谱方法对基于阴/阳离子型表面活性剂形成的微乳液合成二氧化硅纳米粒子的过程进行了原位、实时监测,深入探究了该合成过程中二氧化硅纳米粒子的生长机理,分析比较了阴/阳离子型表面活性剂微乳液对合成过程产生的影响。本论文首先利用介电谱方法分别研究了不同水相含量的CTAB/正己醇/环己烷/氨水微乳液体系和AOT/正丁醇/正庚烷/氨水微乳液体系的静态介电弛豫行为,然后通过加入前驱体,在不同的微乳液微观组成下利用介电谱方法对二氧化硅纳米粒子的合成过程进行了实时监测,并结合对导数法对介电谱结果进行了解析,准确得到了所测频率范围内不同介电弛豫行为的弛豫强度、弛豫时间的变化情况,运用不同模型进行分析比较,确定了阳离子表面活性剂CTAB体系在频率为1 MHz～3 GHz范围内观察到位于20 MHz、120 MHz和1 GHz附近的三个相互叠加的弛豫的微观机制,其中位于GHz附近的弛豫来源于结合水分子引起的极化,低频弛豫来源于界面极化,中频弛豫则来源于由对离子Br和CTAB表面活性剂极性头基组成的离子对的定向极化;AOT体系在频率为1 MHz～3 GHz范围内观察到两个相互叠加的弛豫,分别位于240MHz和1 GHz。其中,1 GHz频率的弛豫为结合水引起的弛豫,而位于240 MHz附近的弛豫则来源于对离子Na和AOT表面活性剂极性头基组成的离子对的定向极化;通过对上述两个体系中的相关弛豫的特征介电参数的解析,探究了改变前驱体含量和水相含量对于合成过程中介电弛豫行为的影响,发现这两个体系的合成过程都可以分为相似的三个阶段,并且可以通过合成体系的弛豫特性以及电学性质进行有效识别。此外,对比分析了阴/阳离子表面活性剂对微乳液法制备纳米粒子过程的影响,发现阴/阳离子表面活性剂自身解离会阻碍/促进TEOS水解过程,由此造成合成过程中介电弛豫行为的不同演化趋势。

关键词：介电谱微乳液法纳米粒子合成介电弛豫界面极化

基于Ti3C2Tx MXene的异质结构设计及吸波性能研究

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基于Ti3C2Tx MXene的异质结构设计及吸波性能研究

作者：常明青岛大学

学位级别：硕士

在当今大数据时代,无线通信技术迅猛发展,高效的电磁信息传输为人们生活提供了前所未有便利的同时也带来了日益复杂的电磁环境。为缓解复杂电磁环境引发的不利影响,人们对于电磁波吸收材料的研究逐步增加,特别是兼具轻质、环境适应性强... 详细信息

在当今大数据时代,无线通信技术迅猛发展,高效的电磁信息传输为人们生活提供了前所未有便利的同时也带来了日益复杂的电磁环境。为缓解复杂电磁环境引发的不利影响,人们对于电磁波吸收材料的研究逐步增加,特别是兼具轻质、环境适应性强的高性能电磁波吸收材料。MXene是一类过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物的统称。其中,TiCT MXene材料因其成熟的合成工艺和高导电性的得到了最广泛的应用。然而,原始的TiCTMXene吸波材料面临着损耗机制单一、阻抗失配、易氧化等问题,在吸波性能受限的同时也存在诸多实用性难题。基于电磁波吸收机理,通过合理的组分复合以及结构构建策略可以对TiCT MXene材料的电磁特性进行优化,从而得到理想的TiCT MXene基电磁波吸收材料。本文以TiCT MXene为核心,采用多种有损材料(如过渡金属硫化物、磁性金属、聚合物等)与之进行异质结构设计,探索不同结构与复合组分对于TiCT MXene电磁波吸收性能的影响,致力于为高效TiCT MXene基吸波材料的设计提供一定思路。本论文主要研究内容如下:(1)针对多层TiCT MXene结构受限且电磁波损耗能力较弱的问题,采用具有优异介电性的过渡金属硫化物对多层TiCT MXene进行表面修饰,通过多组分复合增强界面作用来优化TiCT MXene的电磁波吸收性能。首先,选用HF溶液对TiAl C MAX相进行蚀刻,制备具有类手风琴结构的多层TiCTMXene。随后,通过溶剂热和水热过程引入过渡金属硫化物,得到鳞片状表面的Ni S/Mo S/TiCT复合材料。过渡金属硫化物在TiCT表面及层间的生长进一步增大材料比表面积并带来大量异质界面,半导体Mo S与类金属TiCTMXene会在其异质结处形成肖特基势垒,加剧材料界面极化损耗作用。电磁参数的合理调控、介电损耗的增强以及阻抗匹配的优化共同改善了材料的电磁波吸收性能,Ni S/Mo S/TiCT复合材料的最低反射损耗达到-58.48 d B(2.4 mm),有效吸收带宽达到5.04 GHz(2.1 mm)。(2)相对于多层TiCT MXene,单层TiCT MXene表现出超薄二维片层结构,具有更大的比表面积和更高的导电率。然而单层MXene也面临着片层易堆叠、阻抗失配以及损耗机制单一等问题。为此,选择引入一维磁性组分来调控少层TiCT MXene的结构及电磁参数并丰富材料的电磁波损耗机制,进一步探索设计高性能TiCT MXene基吸波材料。首先,采用过量Li F和浓盐酸的混合溶液对TiAl C MAX相进行原位蚀刻,并通过超声过程得到二维TiCT MXene片。随后,借助水热法制备棒状Co(CO)Cl(OH)前驱体,并通过硫化和煅烧过程得到具有一维芯鞘结构的Co/CoS复合材料。最后,将2D TiCT片与1D Co/CoS磁性结构进行静电组装,得到具有1D/2D结构的Co/CoS/TiCT复合吸波材料。一维Co/CoS为体系提供了磁损耗能力并平衡了单层TiCT MXene过高的电导,使得复合材料电磁参数及阻抗匹配得到优化。此外,这一独特的1D/2D结构有效缓解了单层TiCT MXene片的自堆叠问题,促进了电磁波在吸波材料内的多重反射。Co/CoS/TiCT复合材料在多重损耗机制的协同作用下表现出优异的吸波性能,其最低反射损耗达到-52.02 d B(1.8 mm),有效吸收带宽达到5.36 GHz(2.1 mm)。(3)为进一步提高TiCT MXene的有效导电浓度,针对单层TiCT MXene进行了3D结构设计,通过构建3D导电网络结构来获得轻质、高效的MXene基电磁波吸收材料。首先,采用聚多巴胺对三聚氰胺泡沫(MF)进行表面改性来增强骨架表面的粘附性。随后,通过真空浸渍过程在泡沫骨架上包覆及搭载CoO/TiCT MXene复合材料,得到CoO/TiCT/MF复合泡沫。测试结果表明TiCT片层与CoO链可以成功锚定在改性后的三聚氰胺泡沫骨架,复合材料结构稳定且具有良好的压缩回弹性。此外,CoO/TiCT/MF复合泡沫材料的孔隙结构使材料具有较低的密度,可以在低填充量下实现高效电磁波吸收性能,在2.4 mm的匹配厚度时其最低反射损耗达到-51.31 d B,在2.3 mm的匹配厚度时其有效吸收带宽为6.96 GHz,在电磁波吸收领域展现出良好的应用前景。

关键词： Ti3C2Tx MXene 异质结构设计界面极化介磁协同作用电磁波吸收

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基于非铁电相变的室温可调介电开关复合材料

基于非铁电相变的室温可调介电开关复合材料

作者：龚钰铁武汉纺织大学

学位级别：硕士

热响应介电材料在特定温度附近可在高、低介电态之间可逆转换,其独特的热响应介电行为具有重要的研究和应用价值。除铁电相变外,非铁电结晶-熔融相变也可能诱导介电响应行为。在微/纳米及分子水平上深入理解非铁电相变诱导介电-温度响... 详细信息

热响应介电材料在特定温度附近可在高、低介电态之间可逆转换,其独特的热响应介电行为具有重要的研究和应用价值。除铁电相变外,非铁电结晶-熔融相变也可能诱导介电响应行为。在微/纳米及分子水平上深入理解非铁电相变诱导介电-温度响应规律及机理有望创新介电响应材料设计和制备手段。(一)为了解决介电开关材料的介电开关性能不佳、可扩展性差、成本高等关键问题,本文展示了一个可达到良好成本/性能平衡的通用解决方案。通过将离子液体(Ionic liquids,ILs)与聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)复合制成一种全有机复合材料,能够在34.2 Hz时实现超过320.6的高介电开关比、500次循环后几乎100%的开关比保留、最高可达～35°C宽的热滞回线以及可调的介电转变温度。此外,PEG/ILs可以克服材料介电开关性能与成本的冲突,即在不使用溶剂的前提下,简单地混合商业化组件即可获得显著的介电开关性能。这项发现为高效、可扩展、低成本和环保的高性能室温介电开关材料的制备提供了希望。(二)为了解决热响应介电材料面临的两个关键的挑战:(1)机械韧性不足;(2)缺乏有前景的介电开关性能、理想的机械性能、长周期稳定性的多方位组合。本文提出了一种用于设计新型热响应介电开关材料的可扩展策略。同时将有前景的介电开关性能、优异的力学性能和良好的循环稳定性等特征集成到复合凝胶中。基于界面结构演化诱导的新型双重介电开关机制,该离子凝胶可以很容易地实现独特的可逆介电双稳态、高于150的介电开关比、～15°C宽的热滞回线、可调的室温介电转变行为、令人印象深刻的高延展性、理想的高机械强度和至少1000次循环的高稳定性。这种一体化的设计增强了介电开关凝胶对多种应用场景的适应性、耐久性和使用寿命,结合简便的制造工艺和可回收的热塑性系统,有助于节约能源和成本,这项研究为构建高度理想的热响应介电开关材料提供了可行、可持续的策略。(三)为了突破现有介电开关机制的限制以实现超高介电开关比,本文报道了油包水皮克林乳液体系中超高的介电开关效应。介电开关效应由介电转变温度以下的双极化协同作用和高于介电转变温度的电极极化抑制共同导致。界面极化和电极极化的协同介电开关效应使乳液体系具有前所未有的超高介电开关比,该体系在20 Hz下的最高室温介电开关比高达2.86×10～6,比迄今为止报道的最高开关比高出四个数量级。超高的介电开关比、可靠的循环稳定性、良好的频率适应性和令人满意的可扩展性使无机盐溶液/十八烷乳液成为高灵敏室温智能开关及传感设备的潜在优秀候选者。

关键词：介电开关温度响应可切换材料界面演化界面极化电极极化

稀土铁氧体@聚苯胺/石墨复合材料的制备及其微波吸收性能的研究

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稀土铁氧体@聚苯胺/石墨复合材料的制备及其微波吸收性能的研究

作者：许小梅宁波大学

学位级别：硕士

电磁波在传播过程中会对人体健康造成不可逆转的伤害,为了减少电磁污染保护人们的身体健康,开发出高性能的微波吸收材料具有重要的现实意义。研究和开发新型低成本、高吸收、广带宽吸波材料已成为材料领域的重要研究方向之一。稀土正铁... 详细信息

电磁波在传播过程中会对人体健康造成不可逆转的伤害,为了减少电磁污染保护人们的身体健康,开发出高性能的微波吸收材料具有重要的现实意义。研究和开发新型低成本、高吸收、广带宽吸波材料已成为材料领域的重要研究方向之一。稀土正铁氧体（RFeO）具有稳定性好,高磁导率,高饱和磁化强度等优点;导电高聚物与碳材料的密度小,电导率高;因此,皆在微波吸收领域得到了很好的发展。然而,由于单一介质材料阻抗不匹配,导致其微波吸收性能较差。为此,将RFeO与介电材料复合,所制备的复合材料具有轻质,广带宽,较好的阻抗匹配和衰减特性等优点。本论文研究工作主要围绕复合材料的制备、表征及微波吸收性能展开。主要研究内容为以下三部分:（1）通过溶胶-凝胶自蔓延燃烧法和原位氧化聚合相结合的方法合成了ErFeO@聚苯胺（PA）复合材料。通过BET法计算了ErFeO@PA复合材料的表面积及孔隙体积分别为7.9 m/g,31.0 mm/g。ErFeO@PA复合材料的饱和磁化（M）在300 K时达到3.6 emu/g。ErFeO和PA的复合产生了大量的异质界面,并在异质界面中诱导了多种极化过程,从而产生了优异的吸波性能。此外,研究了不同质量浓度的ErFeO@PA对吸波性能的影响,计算了样品在1-18 GHz频率范围内的反射损耗,石蜡基质中30 wt%ErFeO@PA复合材料具有良好的吸波性能。当厚度为2.0 mm时,在12.1-16.3 GHz范围内反射损耗（RL）值低于-10 d B,覆盖KU频段（12-18 GHz）的近三分之二,RL值达到-39.0 d B。（2）通过溶胶-凝胶自蔓延燃烧和原位氧化聚合法成功合成了SmFeO@（x）PA复合材料。与纯SmFeO颗粒相比,加入PA后可以调节复合材料的介电性能和磁性能,并且电磁参数相应地发生变化。研究了不同PA含量合成的SmFeO@（x）PA复合材料对吸波性能的影响。SmFeO@（x）PA复合材料具有独特的多孔结构和凹凸不平的粗糙表面,复合材料和空气介质之间的不同介电性质导致界面极化,电磁波在多孔结构和异质界面中的多次反射和散射有利于吸收更多的电磁波。所有样品中,SmFeO@（70 wt%）PA复合材料在3.8 mm厚度下具有更强的吸收能力,RL值为-31.3 d B。（3）通过溶胶-凝胶自蔓延燃烧法合成了SmFeO颗粒,再通过高能球磨法成功合成了SmFeO@（x）石墨（C）复合材料。SmFeO@（x）C复合材料独特的层状结构,包括丰富的异质界面,在增强双损耗机制和实现良好的阻抗匹配方面发挥着至关重要的作用。复合材料的电磁参数随着石墨含量的增加而发生变化,研究了不同石墨含量合成的SmFeO@（x）C复合材料对微波吸收的影响。当厚度为3.5 mm时,SmFeO@（6 wt%）C复合材料具有最佳的吸波性能。在5.93 GHz时,RL值为-25.3 d B,吸收带宽为0.34 GHz,具有良好的吸波性能。本研究展示了一种合成高效吸波材料的物理方法。

关键词：介电损耗磁损耗微波吸收性能复合材料界面极化

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西瓜瓤基生物炭磁性吸波材料的制备及其应用

西瓜瓤基生物炭磁性吸波材料的制备及其应用

作者：孙浩济南大学

学位级别：硕士

随着现代科技的飞速发展,新一代通讯电子设备以及探测侦查设备涌现,在提高人们生活水平和国家军队现代战斗能力的同时会产生严重的电磁污染和更多的军事威胁。为减少电磁波辐射造成的电磁污染以及增强军队战斗生存和反击能力,急需研制... 详细信息

随着现代科技的飞速发展,新一代通讯电子设备以及探测侦查设备涌现,在提高人们生活水平和国家军队现代战斗能力的同时会产生严重的电磁污染和更多的军事威胁。为减少电磁波辐射造成的电磁污染以及增强军队战斗生存和反击能力,急需研制宽吸收带宽、高反射损耗、薄匹配厚度的优质电磁波吸收材料。生物质作为自然界中储备丰富同时绿色可再生的一种资源,是制备碳材料的理想原料。生物质在热解处理后,保留其独特的孔隙结构和杂原子,使其具有较好的介电损耗能力,被认为是电磁波吸收领域具有广阔应用前景的材料之一。在研制生物质炭吸波材料的基础上,引入磁性粒子和独特的三维结构也是对材料的吸波性能进行优化的有效途径。论文以西瓜瓤和棉花为生物质炭源,Co FeO转化得到的CoFe为磁性源,采用热还原法和溶剂热法等制备工艺,以西瓜瓤生物质炭（WPC）为基体分别制备了三类电磁波吸收材料:WPC、CoFe/WPC和CoFe/WPC/棉花生物质炭（CC）。采用XRD、Raman、SEM、TEM等表征手段对材料的化学结构、微观形貌以及吸波性能进行表征与测试。具体研究内容如下:（1）通过简单的水热法和西瓜瓤的碳化处理制备了薄的类石墨烯多层碳纳米片。独特的扭曲和折叠结构不仅提高了导电损耗,而且通过延长电磁波的传播路径增加了多次反射和散射。西瓜瓤生物炭的最小反射损耗值（RL）在厚度为3 mm时达到-50.0 d B,有效吸收带宽在厚度为2 mm时达到3.51 GHz。这项工作为设计先进的电磁波吸收材料提供了新的方向和制备技术。（2）通过水热反应制得含有水热炭的预处理西瓜瓤（PWP）,与合成的Co FeO混合,在退火过程中Co FeO转变为CoFe,制得CoFe/WPC复合材料。在其褶皱结构引起的多次反射与散射、WPC与CoFe异质界面引起的界面极化、CoFe粒子的磁共振及优异的阻抗匹配的协同作用下,吸波复合材料在匹配厚度为2 mm时最小RL值达到-38.5 d B,电磁波有效吸收带宽为6.0 GHz（12-18 GHz）覆盖整个Ku波段。CoFe/WPC复合材料优异的吸波性能为制备轻质、薄厚度、宽带宽的生物质炭掺杂磁性粒子复合材料提供了一种新的策略。（3）以西瓜瓤和棉花两种生物质作为碳源,通过水热法和高温热解法成功制备了具有藤蔓状三维结构的CoFe/WPC/CC复合材料。独特的三维结构增强了复合材料的界面极化、导电损耗、多重反射和散射等多种损耗机制,使复合材料获得了优异的吸波性能。当厚度为4 mm时,样品最小RL值为-46.9 d B,在厚度为2 mm时有效吸收带宽达到5.7 GHz。

关键词：生物质炭 Co3Fe7合金吸波性能阻抗匹配界面极化