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《上海交通大学》 2009年
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遗态功能复合材料的制备及电磁性能研究

刘庆雷  
【摘要】:近年来,由于电磁干扰现象日趋严重,因而研究新型轻质、高效、宽频以及能满足不同环境和应用场合的电磁屏蔽和吸波材料已成为重要而且迫切需要解决的问题。设计研究新型电磁屏蔽/吸波材料要求基于电磁波的传播及电磁波与物体的相互作用原理,结合材料的微观结构、组分与功能的内在关系,构造形态、组分、结构屏蔽/吸波相结合的设计思路,研制多种屏蔽/吸波机制于一体的新型材料。而当前纳米材料和多孔结构的前沿研究为新型电磁屏蔽/吸波材料的设计和制备提供了新的思路和途径。在自然界中,植物材料秉承自然界亿万年进化的结果,具有精细的微米、纳米分级多孔结构。可以设想通过选取具有分级多孔结构的植物材料为模板,利用化学物理耦合处理方法遗传植物材料原有的精细形貌和多孔结构,并通过调控工艺改变和组装各种所需的纳米结构和成分,可制备既具有植物材料天然的分级多孔结构,又有人为赋予特性的新型电磁屏蔽和吸波材料。 基于上述学术思想,本研究选取三种典型植物材料为模板,利用化学物理耦合处理方法,遗传了植物材料原有的精细形貌和多孔结构,并通过调控工艺,控制并组装碳/金属纳米结构,从而制备了具有分级多孔结构和碳/金属纳米结构特征的遗态功能复合材料。根据应用目的不同,分别利用遗态功能复合材料为填料制备了酚醛基复合材料和石蜡基复合材料。利用热失重分析法和X射线衍射法分析制备过程的成分反应和变化;运用扫描电镜、透射电镜分别研究微米孔、碳纳米结构组织与形貌;利用氮吸附法表征纳米孔结构;用四探针法和波导管法分别测定酚醛基复合材料的直流电导率和X波段电磁屏蔽效能;利用同轴法测定石蜡基复合材料在2-18GHz的电磁参数,并在此基础上,通过理论数值分析,研究了遗态功能复合材料的吸波性能。主要研究结果如下: 遗态功能复合材料具有分级多孔和碳/金属纳米组织的结构特点:以多孔碳为基体,遗传保留了植物材料天然的微米、纳米级的多孔结构特征,同时在无定形碳基体中自组装碳/金属纳米结构。碳/铁纳米结构的形成临界温度为700oC,而碳/镍和碳/钴纳米结构的形成临界温度超过800oC。当处理温度高于1000oC时,遗态功能复合材料具有典型的三维碳纳米网络结构特征。无定形碳基体中的碳/金属纳米结构的生长机制符合“溶解-析出”模型。 酚醛-遗态功能复合材料在X波段的电磁屏蔽效能随着频率变化基本保持稳定,具有“宽频”的特征。处理温度从500oC提高至1000oC时,酚醛-多孔碳模板的电磁屏蔽效能从小于5dB提高至15dB,而酚醛-遗态功能复合材料的电磁屏蔽效能从小于5dB提高至40dB,表明碳/金属纳米结构的形成极大提高了复合材料的电磁屏蔽效能。遗态功能复合材料对电磁波的屏蔽机理为成分和结构的耦合效应:无定形碳石墨化和碳/金属纳米结构的形成提高电磁波反射和吸收效能,而分级多孔结构对进入复合材料内部的电磁波起多重反射作用,提高了材料的吸收损耗。 遗态功能复合材料的电磁性能与多孔结构、碳/金属纳米结构相关联,可通过处理温度加以控制。多孔结构减小复合材料的介电常数,而碳/金属纳米结构的形成提高复合材料的介电常数。处理温度为600-1000oC时,遗态功能复合材料的介电常数随着处理温度的升高而增大,而磁导率变化甚小。遗态功能复合材料对电磁波的吸收损耗主要为介电损耗,磁损耗很小。 通过理论建模和分析,利用遗态功能复合材料的电磁参数进行单层薄层吸波材料设计,研究结果表明遗态功能复合材料可作为低反射、宽频、薄层的单层介电吸波材料。随处理温度的提高,无定形碳石墨化和碳/金属纳米结构的形成提高了复合材料的介电常数实部和介电损耗,扩宽了低反射率的频率范围,并提高了最大损耗值。单层遗态功能复合材料对电磁波的吸收由“本征损耗”和“结构效应”耦合决定。5mm厚单层遗态功能复合材料在4.2GHz最大反射损耗可达40dB。 本研究利用植物纤维制备了具有分级多孔和碳/金属纳米结构特征的遗态功能复合材料,并对合成工艺、组织结构和电磁性能之间的内在关系进行了研究。对新型电磁屏蔽/吸波材料的研制进行了有益的探索,为新型电磁屏蔽/吸波材料的研制和相关领域的应用提供了理论设计依据和实用途径。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB34

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