碳基纳米纤维膜的制备及其电磁波吸收性能研究

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随着现代技术的飞速发展,电磁波吸收材料在人们的日常生活中越来越不可或缺,广泛应用于各种领域,尤其是国防和军事领域。然而,研究和开发轻质、柔性和高效的电磁波吸收材料,减少电磁波在宽频率范围下的不利干扰,仍然是一个巨大的挑战。本文采用静电纺丝法制备了不同的碳基复合纳米纤维膜,并在一定的纤维膜厚度下,在较宽的频率范围内对这些纤维膜的吸波性能进行比较。利用导电聚合物、碳基纳米结构和磁性金属氧化物等多种材料制备了高性能的吸波材料。此外,为了提高碳基复合纳米纤维膜的电磁波吸收性能,我们除了使用具有良好介电常数()和磁导率()的材料外,还制备出具有多孔结构等特殊结构的复合纳米纤维膜。本课题的具体研究成果分为以下四个方面:第一,采用静电纺丝法制备Co3O4/碳复合纳米纤维膜,并对其进行预氧化及碳化处理。对于厚度为2mm的纤维膜,在13.76GHz时,最佳反射损耗(RL)值为-36.27dB。在4.5-14.4GHz范围内,通过在1-5mm之间选择合适的吸收层厚度,RL均超过-20dB。Co3O4/碳复合纳米纤维膜具有质量轻、强度高的特点,可作为具有良好应用前景的电磁波吸收材料。该复合纳米纤维膜为新型电磁波吸收材料的设计提供了一种新颖、有效的方法,可在较宽的频率范围内进行实际应用。第二,采用静电纺丝和煅烧相结合的方法制备了一种多孔、轻质的碳基纳米纤维(CNFs)膜。该复合纤维膜由于其独特的多孔结构和引入的颗粒组分,表现出高效的吸附能力。具体来说,碳基纳米纤维膜的钴和铁纳米粒子都有利于膜的导电性,并通过在膜内创建金属-金属交叉点来减少接触损失。引进的颗粒组分能够改进复合纤维膜的介电常数和磁导率,以提高其电磁波吸收性能。RL值在5.84GHz下为-43.60dB,最佳厚度为5mm。通过选择最优厚度,可以在4.3-18GHz的宽频率范围内获得RL为-10dB,这表明大部分电磁波可以被成功吸收。碳基纳米纤维膜的合成为制备先进的电磁波吸收材料提供一个新的方向,具有广阔的应用前景。第三,结合静电纺丝、预氧化和炭化工艺,提出一种制备高性能电磁波吸收纤维膜的新途径。分别选择NiFe2O4纳米颗粒和多壁碳纳米管(MWCNTs)作为有效的磁性材料和介电材料,构建高柔性的NiFe2O4/MWCNTs CNFs膜。所制备的复合膜在C波段(4-8GHz)、X波段(8-12GHz)和Ku波段(12-18GHz)等较宽的频率范围内具有优异的电磁波吸收性能。样品厚度为2-5mm,频率范围为5.36-18GHz时,RL超过-20dB。同样,厚度为2.5mm、带宽为12.96GHz的NiFe2O4/MWCNTs CNFs可以实现-45.60dB的RL值。合成的NiFe2O4/MWCNTs CNFs纤维膜有望成为轻质、优异的电磁波吸收材料,该材料将为电磁波吸收材料的广泛应用提供一种新的解决方案。最后,通过简单的静电纺丝工艺设计制作了高磁性和高介电性纳米纤维膜,可以有效作为电磁波吸收材料。由镍、钴抗氧化纳米颗粒和碳纳米管组成的纳米复合材料CNFs,具有优异的磁性、介电性和较强的吸收能力。这些包覆在CNFs中的纳米粒子通过形成金属-金属界面,降低CNFs内的接触损耗,有利于提高复合材料的电导率。相应的,该柔性纳米纤维膜在4.88GHz频段,厚度为5.5mm时,RL值为-46.60dB。通过选择合适的材料厚度,可以在宽频段(4.16-18GHz)获得较强的吸收性能(<-10dB)。结果表明,由于复合结构中引入的各组分交互作用,纳米纤维膜的介电常数和磁导率有了较大的提高。该复合纳米纤维膜是一种可扩展、轻量化、高性能的电磁波吸收材料,其作用频率范围可以从C波段到Ku波段(4-18GHz)。本论文阐述了制备高磁性和高介电性碳基复合纳米纤维膜的方法,该复合材料具有轻质、柔性、低成本和多孔等优点,可在较宽的频率范围内实现电磁波的吸收,能够广泛应用于很多领域。
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