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碳纳米管膜/磁性金属纳米线吸波材料制备与研究

沈俊尧  
【摘要】:电磁吸波材料是一种能将外界电磁波进行吸收并通过多种能量形式(诸如介电损耗、磁损耗)进行损耗的一类材料,其在军事打击和民用安全领域被广泛应用。其中,碳纳米管/磁性纳米金属吸波复合材料能有效弥补单一碳纳米管的磁损耗与磁性金属吸收能力弱、吸收频段窄与损耗能力差等缺点,受到众多研究者的关注。但就对特殊微纳结构的磁性金属构筑、磁性纳米金属与碳纳米管间配比对吸波性能影响及基于碳纳米管/异相磁性纳米金属吸波材料的吸波结构优化尚等诸多问题尚缺乏系统研究,值得研究者进一步研究。本文围绕碳纳米管膜/磁性金属纳米线吸波材料这一主题,逐一开展对碳纳米管膜、铁纳米线、铁钴纳米线及其相关复合材料的制备与吸波性能研究。并对基于上述碳纳米管膜/磁性金属纳米线(铁纳米线与铁钴纳米线)吸波材料的叠层吸波结构进行仿真优化,为其相关吸波应用的拓展提供有价值的参考。主要研究内容如下:通过注射CVD法生长碳纳米管膜,外径范围为50-80 nm,比表面可达371.31m2g~(-1)。分别制备了碳纳米管膜/硅橡胶复合材料与粉末状碳纳米管/硅橡胶复合材料,考察了两种不同宏观结构碳纳米管对复合材料的热、力及电学性能影响。相比于碳纳米管粉末/硅橡胶吸波复合材料,碳纳米管膜/硅橡胶吸波复合材料表现出更为优异的反射损耗特性。以1 mm吸波厚度条件下为例,碳纳米管膜/硅橡胶复合材料的最大反射损耗值可达-26.55 dB,有效吸收频带宽度为3.57 GHz。可以归结为具二维宏观结构的碳纳米管膜协同增强了整体复合材料的电导损耗和介电损耗能。使用外加磁场辅助法制备平均直径为100 nm、长径比为50的铁纳米线。铁纳米线的长度与外加磁场强度呈正相关,微观形貌呈现项链状结构。由于其特殊纳米线结构,铁纳米线吸波材料的吸波性能得以增强,反射损耗值可达-27.28 dB。建立三种不同复合结构碳纳米管膜及铁纳米线吸波材料(UCDF型、UFDC型及UMCF型)进行吸波仿真,结果表明理想均匀排布的UMCF型表现出最优吸波性能。为考察铁纳米线与碳纳米管配比对整体吸波复合材料吸波性能影响,制备了不同质量比的碳纳米管与铁纳米线的碳纳米管膜/铁纳米线吸波材料,均表现出优异的反射损耗特性。以质量比为1:1条件下的碳纳米管膜/铁纳米线吸波材料为例,1-5mm吸波厚度条件下,最大反射损耗值可达-29.15 dB,有效吸收频带宽度覆盖2.35-16.60 GHz。采用外磁场辅助法制备三种不同铁/钴摩尔比的铁钴纳米线(Fe_3Co_7 NWs、Fe_5Co_5NWs及Fe_3Co_7 NWs),便以吸波性能可调。以3 mm吸波厚度为例,隶属于Fe_3Co_7 NWs、Fe_5Co_5 NWs与Fe_3Co_7 NWs的反射损耗最大值分别为-25.88dB、-19.06 dB与-21.98 dB。制备了不同碳纳米管与铁纳米线质量比条件下的碳纳米管膜/铁钴纳米线吸波材料也均表现出优异吸波性能。以两者质量比为1:1.5条件下的所制备吸波复合材料为例,1-5mm吸波厚度条件下,最大反射损耗值可达-42.21 dB,有效吸收频带宽度为13.36 GHz。以碳纳米管膜/铁纳米线和碳纳米管膜/铁钴纳米线吸波材料分别作为吸波单元层,分别构筑了四种双相吸波结构并进行吸波仿真,实现对叠层吸波结构的预报。


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