碳化钼基吸波材料的制备及其性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wanglinux_0208
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电子信息技术特别是一些新兴网络通讯技术的发展给人们的生产生活带来了极大便利,提升了网络通讯的时效性和军事作战的智能化,然而,过量电磁辐射引起的电磁污染问题也给信息安全和人们的身体健康带来了极大的风险。电磁吸收和电磁屏蔽是防治电磁污染的两种常用方式,其中作为电磁吸收的重要组成部分,电磁波吸收材料(吸波材料)能够将电磁能量直接转化为热能耗散掉,避免了电磁屏蔽带来的二次污染问题。磁性金属材料是研究较早、性能较好的一类吸波材料,但磁性金属密度大、填充量高、易氧化腐蚀,与碳基质复合过程中难以表现出强的磁损耗特征,主要是调节阻抗匹配,增强介电损耗。相比之下,碳化钼表现出的高熔点、优异的介电性能、良好的机械和化学稳定性,成为一类理想的介电损耗型材料。采用金属有机框架(Metal organic frameworks,MOFs)衍生方法制备碳化钼复合材料,能够得到形貌规则、高孔隙度、化学成分均匀且可调的复合材料,本论文对碳化钼基复合材料的制备和吸波性能展开了研究,通过对不同碳化钼含量的调控、微结构的设计和不同组分的引入,优化复合材料的吸波性能,探究了电磁衰减内在机制。以磷钼酸和吡咯单体为原料,利用磷钼酸的氧化性诱发吡咯单体聚合,伴随高温碳热还原过程制备了系列核壳结构的Mo2C@C纳米球。调节磷钼酸和吡咯的相对含量确定了前驱体Mo/PPy的最佳摩尔比为Py/PMo12=10.0,随后将前驱体Mo/PPy-10.0在600、700和800℃条件下分别进行碳热还原反应,得到PL-600、PL-700和PL-800纳米球。当碳热还原温度为700℃时,纳米球表现出较好的吸波性能,在12.5 GHz处的最小反射损耗值小于-48 dB,此时的有效吸收带宽(反射损耗值<-10 dB时的频率范围)为4.1 GHz。核壳结构Mo2C@C纳米球的优异吸波性能主要来自于碳基质的缺陷部位提供的丰富偶极极化,碳壳与Mo2C纳米粒子间的界面极化,同时核壳结构形成的微导电网络能够有效地束缚入射电磁波,增强了多重反射。通过MOFs衍生法得到了钼酸掺杂的ZIF-8前驱体,其中2-甲基咪唑和钼酸的摩尔比(MIM/Mo)分别为1.5:1、3.0:1、6.0:1和9.0:1,经过高温碳热还原过程合成了一系列超小Mo2C纳米粒子(~4.5 nm)掺杂的Mo2C/C多面体复合材料,很好地保持了ZIF-8的原始形貌。其中MIM/Mo=6.0时,复合材料表现出优异的阻抗匹配特性和电磁衰减能力,最小反射损耗值小于-60 dB,对应厚度为1.5 mm,在此厚度下有效吸收带宽为4.8 GHz,能够覆盖整个Ku频段。研究发现,优异的吸波性能主要来源于Mo2C的引入有效调节了碳基质的阻抗匹配,超小的Mo2C纳米粒子均匀分散在碳基质中增强了极化损耗。与磷钼酸诱发吡咯聚合得到的Mo2C@C纳米球相比,证实了更小的Mo2C纳米粒子有利于吸波性能的提高。在3 mol·L-1 HCl和473 K条件下分别处理24 h后,Mo2C/C多面体复合材料仍能保持良好的吸波性能,具有很好的耐酸腐蚀性和耐高温特性。通过溶剂热过程将得到的MoO3纳米棒与ZIF-67进行复合,经高温碳热还原合成了三元Mo2C/Co/C纳米棒。调节前驱体中MoO3与Co(NO3)2的相对含量,得到的三元复合材料分别命名为MCC-25、MCC-50和MCC-75,表现出可调的吸波性能。在填充量为30%时,三个样品的最小反射损耗值分别为-44.8 dB(4.2 GHz,5.0 mm)、-48.0 dB(6.6 GHz,3.0 mm)和-21.4 dB(13.8 GHz,1.5mm)。MCC-50表现出良好的阻抗匹配特性和低频衰减强度,当吸波涂层厚度在1.5-5.0 mm之间时,其有效带宽可覆盖3.0-18.0 GHz。相比于核壳Mo2C@C纳米球和Mo2C/C多面体,三元Mo2C/Co/C纳米棒不仅表现出优秀的有效吸收带宽,同时还具有很强的低频吸收特性。优异的低频吸波性能主要来自于碳层内部分散的Mo2C和Co纳米粒子提供了丰富的偶极极化中心和界面极化效应,磁性Co纳米粒子在提供磁损耗的同时也增加了Mo-Co之间的电子传输,增强了材料的介电损耗能力,证实了磁性金属纳米粒子对阻抗匹配的改善作用。通过以上吸收机制发现三种复合材料的电磁衰减都以介电损耗为主,分散在碳基质中的超小Mo2C纳米粒子带来了增强的吸波性能,有效吸收带宽覆盖X和Ku波段,引入少量磁性金属的三元Mo2C/Co/C纳米棒可以调节阻抗匹配,表现出较好的低频吸收特性,有效覆盖C波段,拓展了在低频波段的吸收性能。
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