Fe3O4/MWCNT复合材料的制备及其吸波性能的研究

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近年来,随着无线通信技术的发展、电子设备的普及以及军事探测手段的进步,电磁波在民用以及军事领域得到了广泛的应用。然而,在我们享受电磁波技术带给我们便利生活的同时,电磁波的危害不容忽视,对电磁波吸收材料的研究在商用以及军事领域都有非常重要的意义。Fe3O4是一种传统的吸波材料,但其介电常数实部和磁导率实部比较低,密度较大,纯Fe3O4难以获得良好的吸波性能。多璧碳纳米管(MWCNT,Multi-walled carbon nanotubes)质量轻、介电参数可调控,将其与Fe3O4复合可以得到吸波损耗机理多元,性能增强的材料。本文通过溶剂热法制备出Fe3O4/MWCNT复合材料,并研究其吸波性能,分析了复合材料的生长机理和吸波机理。主要研究如下:1.本文通过溶剂热法制备Fe3O4/MWCNT复合材料。应用正交设计理论,以吸收带宽和反射损耗峰值作为优化指标,探索制备高性能Fe3O4/MWCNT复合吸波材料优化的工艺参数。优化的工艺参数是:多壁碳纳米管质量为120mg,铁离子浓度([Fe3+])为0.030mol/L,醋酸根浓度([CH3COO-])为0.240mol/L,反应温度(T)为200℃,反应时间(t)为16h。对正交实验的结果进行极差分析,得出结论:复合材料吸波性能影响因素的主次关系为t>[Fe3+]>T>[CH3COO-]。对基于优化工艺参数制备的Fe3O4/MWCNT复合材料进行XRD表征和SEM表征,使用矢量网络分析仪测量其电磁参数,分析其吸波性能。结果表明,基于优化工艺参数制备的样品吸收带宽为5.2GHz,反射损耗峰值达-30dB,Fe3O4/MWCNT复合材料对电磁波的吸收能力主要来自于剩余损耗以及MWCNT形成的空间网络。此外,本文通过时间单因素实验探究Fe3O4/MWCNT复合物的生长机理,确认Fe3O4是通过原位生长的方法与MWCNT结合在一起,形成Fe3O4/MWCNT复合结构。2.基于优化的工艺参数,本文研究了阴离子表面活性剂SDS、阳离子表面活性剂CTAB以及非离子表面活性剂PAM辅助生长对Fe3O4/MWCNT复合材料的影响,得出三种表面活性剂对Fe3O4/MWCNT复合材料结构形貌的影响机制以及对材料吸波能力的影响机制。综合来看,表面活性剂的加入为Fe3O4的生长提供大量活性位点,促进了Fe3O4的生长,增加了Fe3O4在材料中的含量,但是表面活性剂的加入破坏了溶液中NO2-稳定剂的作用,使得Fe3O4晶粒通过溶解再结晶的方式生长成为表面光滑的纳米微球,光滑的表面致使电磁波导入材料微球内部,部分表面活性剂的辅助生长会使得晶粒尺寸增大,降低材料的界面极化强度和电磁波在纳米微球表面之间的反射,PAM的辅助生长还会破坏MWCNT的空间网络结构,削弱材料的导电性能,因此,表面活性剂的加入会削弱Fe3O4/MWCNT复合材料的吸波性能。
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