多级孔碳材料吸波在电子和国防安全的重要性

日益严峻的电磁污染对人类健康,电子安全和国防安全等造成了严重危害。为了解决这一问题,人们一直致力于研究具有强吸收、宽屏带和轻量薄层等优点的吸波材料。

最近,电磁波吸收理论与材料制备技术的进展表明优良的吸波性能得益于合理设计的微结构,如多孔、核壳和三明治结构等。然而,目前市场的吸波材料微结构构筑仍然存在诸多问题,如制备过程复杂和成本高等。此外,结构对于吸波性能的影响规律仍有待研究。

我们先进院科技采用简单的方法与价格低廉的原材料制备了多种具有不同结构的高性能吸波材料,并且深入研究了不同结构对于吸波性能的影响。

主要内容详述如下:

(1)通过一步碳化天然生物质制备了一系列具有卓越吸波性能的多级孔碳材料。在碳化过程中,生物质固有的碱金属元素原位刻蚀碳材料产生纳米孔结构,同时生物质天然组织的微米孔结构被部分保留,因此形成多级孔结构。在所有样品中,菠菜茎衍生多级孔碳的更大反射损耗(RL_(max))高达-62.2dB,有效吸收带宽(EAB)达到7.3 GHz。此外,以不同季节成熟的菠菜茎为前驱体制备的多级孔碳材料吸波性能相似,表明该材料优良的可重复性。研究发现,多尺度孔的叠加效应赋予了多级孔碳材料优良的吸波性能。

(2)通过简单的刻蚀—聚合法制备了具有卓越吸波性能的Fe_3O_4@聚吡咯(PPy)核壳复合微球。以预制备的Fe_3O_4微球为模板,通过盐酸刻蚀在微球表面形成的大量Fe~(3+)引发吡咯单体的原位聚合,因此形成核壳结构。PPy壳的厚度与Fe_3O_4核的质量分数可以通过调整刻蚀时间准确地调控。当刻蚀时间仅为5分钟时,样品的RL_(max)达到-41.9dB,EAB覆盖整个Ku波段(12.0-18.0GHz),匹配厚度为2.0 mm。这一优异的吸波性能主要来自于聚吡咯壳引发的强介电损耗。

(3)通过简单的方法制备了三明治型碳/FeO_x/石墨烯三元复合材料。将蜜胺海绵浸渍在氧化石墨烯和Fe(NO_3)_3的混合溶液中,然后干燥并在氮气气氛下碳化。在热解过程中,海绵的多孔结构被保留,氧化石墨烯被还原并搭载在碳骨架上,同时硝酸铁反应形成铁氧化物微米或纳米颗粒附着在还原氧化石墨烯上,因此三明治结构复合材料形成。所制备的样品RL_(max)达到-51.2dB,EAB为8.7GHz,覆盖了整个Ku波段和大部分X波段(8.0-12.0 GHz)。研究证明该材料优异的吸波性能来自于三明治结构所增强的界面极化弛豫与电磁波多重反射。

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