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载铜竹炭的制备及电磁屏蔽效能研究

闫国祺  
【摘要】:本文以竹炭为载体,利用竹炭的吸附特性从溶液中吸附Cu(NO_3)_2,再利用Cu(NO_3)_2在170℃条件下不稳定的特点分解为CuO,在高温条件下C与CuO发生置换反应的特点将Cu2+还原单质Cu,单质Cu以竹炭孔隙为模板与竹炭形成三维碳金网状结构,充分发挥竹炭和单质Cu电磁屏蔽的协同作用,进而提升竹炭的电磁屏蔽功效。 采用单因素实验探究了竹材炭化温度和炭化时间对竹炭孔隙结构的影响,采用单因素和正交组合实验探究了竹材炭化温度、溶液pH、吸附时间、竹炭添加量、吸附温度以及Cu(NO_3)_2溶液初始浓度对Cu(NO_3)_2在竹炭上吸附行为的影响,并用原子吸收分光光度计和全自动比表面积及空隙度分析仪(ASAP2020)进行了表征。结果表明:竹炭对Cu(NO_3)_2吸附的较佳工艺为炭化温度为700℃,溶液pH为6.0,吸附时间为80min,竹炭添加量为0.05g/mL,吸附温度为20℃,Cu(NO_3)_2溶液初始浓度为5mol/L时,竹炭对Cu(NO_3)_2吸附量最大,竹炭中Cu元素含量的最大值可达152mg/g。从R值可知,炭化温度和吸附温度对竹炭吸附Cu(NO_3)_2影响程度最大。 采用X射线粉末衍射仪(XRD)动态研究了C-Cu(NO_3)_2向C-Cu的转变过程,表明竹炭为高纯无定型碳,在170℃条件下保温10min时开始Cu(NO_3)_2开始发生分解反应,生成了CuO;当保温时间延长到30min时开始Cu(NO_3)_2分解完全,样品中的物质为竹炭和CuO。在450℃条件下15min时C与CuO发生了置换反应,竹炭中开始有Cu出现;当保温时间延长至50min时,C与CuO的置换反应仍然没有反应完全,这可能与竹炭的比表面积、孔径分布等因素有关。 采用全自动比表面积及空隙度分析仪(ASAP2020)、扫描电子显微镜(SEM)、惠斯登电桥法和频谱仪(E4402B)对竹炭吸附及置换前后的孔隙结构、微观结构、电阻率及电磁屏蔽效能进行了表征。结果表明:随炭化温度的上升,竹炭的体积电阻率急剧下降,当炭化温度达到700℃时体积电阻率为27.49·cm;竹炭吸附Cu(NO_3)_2后,Cu(NO_3)_2将竹炭的孔隙完全或部分堵塞,竹炭的比表面积和比孔容会减小;竹炭经高温处理后,Cu(NO_3)_2发生分解反应,C与CuO发生了置换反应,竹炭的比表面积变大,同时Cu以竹炭为模板形成微米级的连续或不连续的金属线,与竹炭形成碳金三维结构,使得竹炭的电阻率出现了数量级的降低;在频率为0~3GHz的范围内,炭化温度为700℃的竹炭的电磁屏蔽效能在3~6db之间,随着Cu元素含量的提高,竹炭的电磁屏蔽效能明显上升,当Cu元素含量为152mg/g时,竹炭的电磁屏蔽效能达到24db。


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