【摘 要】
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近年来,生物质材料由于具有可循环再生、来源广泛和环境友好等特点,已经成为制备高性能吸波材料的重要原料。木材作为一种储量丰富的生物质材料,其天然的多级网络孔隙结构和富碳特性为高性能吸波材料的制备提供了现实可能。但迄今为止,以木材为基体制备吸波材料的研究较少。为此,本文以马尾松木材和石蜡为原材料,采用无氧高温炭化、无氧高温炭化-热熔浇铸-冷压联合方法制备了块状木基多孔炭吸波材料和木基多孔炭粉-石蜡复合
【基金项目】
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中南林业科技大学研究生创新基金“木基多孔炭-铁氧体复合吸波材料的制备及其性能研究”(项目编号:20183018);
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近年来,生物质材料由于具有可循环再生、来源广泛和环境友好等特点,已经成为制备高性能吸波材料的重要原料。木材作为一种储量丰富的生物质材料,其天然的多级网络孔隙结构和富碳特性为高性能吸波材料的制备提供了现实可能。但迄今为止,以木材为基体制备吸波材料的研究较少。为此,本文以马尾松木材和石蜡为原材料,采用无氧高温炭化、无氧高温炭化-热熔浇铸-冷压联合方法制备了块状木基多孔炭吸波材料和木基多孔炭粉-石蜡复合材料,系统研究了炭化处理工艺和复合制备工艺对木基多孔炭及其复合材料的介电特性和吸波性能的影响规律,获得了优化的炭化处理工艺和复合制备工艺,初步阐述了木基多孔炭及其复合材料的吸波机理。主要研究结果如下:1)研究了炭化处理温度对木基多孔炭吸波材料的微观构造和理化性质的影响规律。研究结果表明:①块状木基多孔炭材料不仅保留了木材各向异性的解剖学特性,还生成了微米级轴向阵列碳管结构,且提高炭化温度会加剧该结构的收缩程度;②提高炭化温度可以促进木基多孔炭石墨微晶的生长,提高C/O比例,减少极性官能团的含量;③提高炭化温度不仅使块状木基多孔炭材料由电介质特性逐渐趋向于半导体特性,还会加剧其电导率的各向异性。2)采用同轴线反射法探明了炭化温度对块状木基多孔炭材料在不同方向的介电特性和吸波性能的影响规律。研究结果表明:①炭化温度为650℃的块状木基多孔炭材料的径切面(弦向)仅需3 mm厚就获得了 8.47 GHz的有效吸波频段,覆盖了 11.53~20.00 GHz;②炭化温度为670℃的块状木基多孔炭材料的横截面(纵向)只需3 mm厚就达到了-47.50 dB的反射损耗峰值,电磁波吸收率超过了 99.99%;③块状木基多孔炭材料的介电特性和吸波性能呈明显的各向异性,且提高炭化温度会加剧这种各向异性。3)初步阐述了块状木基多孔炭材料的吸波机理。研究结果表明:①块状木基多孔炭材料的主要吸波机理为偶极子的极化响应作用,且炭化温度为650℃时,块状木基多孔炭材料的极化作用最强,所以吸波性能最好;②块状木基多孔炭材料的介电参数和吸波性能的各向异性归因于其轴向阵列碳管结构,这种结构使径切面(弦向)在不同的电磁波频率下获得了最优的介电匹配特性,从而展现出相对更好的吸波性能。4)采用同轴空气线法探明了炭化温度、炭粉含量和材料厚度对木基多孔炭粉-石蜡复合材料的介电特性和吸波性能的影响规律。研究结果表明:①提高炭化温度和增大炭粉含量均能有效提高木基多孔炭粉-石蜡复合材料的介电参数;②炭化温度为670℃、炭粉质量分数为40%的木基多孔炭粉-石蜡复合材料只需2.5 mm厚就获得了 6.80 GHz的有效吸收频段,覆盖了 11.20~18.00 GHz,而反射损耗峰值也达到了-26.41 dB,电磁波吸收率超过了 99%。5)初步阐述了木基多孔炭粉-石蜡复合材料的吸波机理。研究结果表明:①木基多孔炭粉-石蜡复合材料的主要吸波机理为偶极子的极化响应作用,当炭化温度为670℃、炭粉质量分数为40%时,木基多孔炭粉-石蜡复合材料的偶极子极化作用最强;②材料厚度与复合材料吸波性能的关系满足1/4法则。
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