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科技前沿

哈工大(威海)合作使用新方法,制备出高性能电磁波吸收复合材料!
来源:材料科学与工程  2020-06-01 11:19:07
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-9499.html       随着现代技术的飞速发展,电磁波污染已成为越来越严重的问题,不仅干扰电子设备的运行,而且还危害环境和人体健康。因此,电磁波吸收材料的研究引起了广泛的关注。为此,人们已经广泛研究了陶瓷,铁氧体,MXene及其复合材料。然而,高密度,较差的稳定性,低柔韧性等缺点阻碍了它们在便携式电子设备和航空航天领域中的实际应用。因此,人们迫切希望开发出具有更好特性的新型电磁波吸收材料,例如吸收能力强,宽吸收频带,密度低,强度高,柔韧性好。碳化硅(SiC)由于具有可调节的介电性能,稳定性好,高拉伸强度和低密度,因此是电磁波吸收的理想材料之一。有研究表明,一维(1D)SiC材料(例如纤维,纳米线和晶须)比块状SiC和SiC颗粒具有更好的电磁波吸收特性。然而,通过改变它们的介电特性,这些1D SiC材料的电磁波吸收性能仍然有很大的改进空间。

       针对上述问题,哈尔滨工业大学(威海)与中科院物理所研究人员等通过使用一种新方法成功地在SiC纤维上合成了CNT,该方法远比常用方法有效。所得的CNT/SiCf复合材料具有优异的电磁波吸收能力。当CNT含量为0.72 wt%,CNT/SiCf填料占20 wt%,样品厚度为4 mm时,该复合材料反射损耗达到-62.5 dB,而有效吸收带宽为8.8 GHz,几乎覆盖了整个Ku频段和四分之三的X频段。此外,可以将复合材料添加到各种基质中,以改变其电磁波吸收和其他性能。通过改变CNT的含量,样品厚度和填充量,可以很容易地在宽范围内调整电磁波的吸收性能。这项工作为有效合成CNT提供了一条新途径,但更重要的是,为设计高性能和多功能吸波材料提供了一条新途径。相关工作以“High-PerformanceElectromagnetic Wave Absorbing CNT/SiCf Composites: Synthesis,Tuning, and Mechanism”为题发表在著名期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。


 
        SiC纤维上CNT的合成过程如图1 所示:通过加热,Fe催化剂和碳源气体迅速产生,用于分解二茂铁。然后,碳原子扩散并在充当成核位点的Fe颗粒上形成CNT。据推测,在快速加热的过程中,由基板和气体之间的温度差引起的对流使碳纳米管在Fe颗粒尖端上上升,这有利于CNT的形成。

图1.(a)CNT/SiCf复合材料的合成过程示意图。(b)SiC纤维和(c,d)CNT/SiCf复合材料的SEM图像。

        图2可以看出,SiC纤维的表面部分被CNT覆盖,这样制备的CNT比通过CVD方法制备的碳纳米管短得多,这可能是由于加热时间短和二茂铁的负荷相对较低所致。CNT壁由十层以上的石墨层组成,这些石墨层围绕着纳米管尖端上的Fe颗粒,清楚地显示了碳纳米管的存在。

图2.(a)CS-1,(b)CS-3和(c)CS-5的SEM图像。(d–f)CNT和(g–i)CNT壁的TEM图像。(j)重叠的CNT和(k)CNT壁的石墨层中的缺陷示意图。(l)CS-1,CS-3和CS-5的拉曼光谱。

       CNT的引入极大地改善了电磁波吸收性能。随着CNT含量的增加,RL的峰值从CS-1的-2.9 dB增大到CS-3的-62.5 dB,然后下降到CS-5的-12.2 dB。对于厚度仅为4.0 mm的CS-3,其有效吸收带宽达到8.8 GHz,比其他任何测试样品都要宽,几乎涵盖了整个Ku频段和四分之三的X频段,并且RL峰值可以达到-62.5 dB,表现出最佳的电磁波吸收性能。此外,可以通过改变CNT的含量,样品厚度和填料填充量来调整样品的电磁波吸收性能。

图3. 具有20 wt%的(a)SiC纤维,(b)CS-1,(c)CS-2,(d)CS-3,(e)CS-4和(f)CS-5的反射损耗曲线。(g)通过改变CNT的含量,厚度和填料含量来调整样品的电磁波吸收性能。(h)CNT/SiCf复合材料和其他一些材料的电磁波吸收性能比较。

图4 CNT/SiCf复合材料的电磁波吸收机理示意图。

总的来说,利用二茂铁通过短时感应加热法合成了CNT/SiCf复合材料,同时提供了催化剂和碳源,具有较高的电磁波吸收性能和较宽的有效吸收带宽。尖端上带有Fe颗粒的CNT形成具有大量界面的独特导电网络,从而改善了阻抗匹配和电磁波衰减能力。对于含0.72 wt%CNT 的CNT/SiCf复合材料,当厚度为4.0 mm时,有效吸收带宽为8.8 GHz,最低RL峰值为-62.5 dB。此外,CNTs/SiCf的电磁波吸收性能可以通过调整CNT的含量,样品厚度和填充量来调整复合材料。该研究结果证明了一种新的合成碳纳米管的有效方法,更重要的是,为高性能和多功能电磁波吸收材料的设计提供了一种新颖的方法。 文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-9499.html