轻质碳基吸波材料:ZnO纳米粒子修饰的三维有序介孔碳球


来源:材料科学与工程

[导读]  三维多孔碳材料具孔径可调、化学性能稳定性,易于与其他功能化纳米材料复合等特性使其在开发轻质高效电磁波吸收材料领域具有良好的应用前景。

中国粉体网讯  电子设备和通信技术的飞速发展在给人们的生活带来极大便利的同时也产生了大量的电磁辐射污染,因此电磁波吸波材料近年来得到了广泛的关注。开发质量轻、厚度薄、吸收性良好的新型电磁波吸波材料具有重要的研究意义和实际应用价值。在众多吸波材料中,三维多孔碳材料具孔径可调、化学性能稳定性,易于与其他功能化纳米材料复合等特性使其在开发轻质高效电磁波吸收材料领域具有良好的应用前景。


Three-Dimensional Ordered Mesoporous Carbon Spheres Modified with Ultrafine Zinc Oxide Nanoparticles for Enhanced Microwave Absorption Properties(超细氧化锌纳米粒子修饰的三维有序介孔碳球增强微波吸收性能)


本文亮点


1. 制备的超细氧化锌纳米粒子修饰的三维有序介孔碳球复合材料具有良好的电磁波吸收能力。

2. 纳米氧化锌/碳复合材料的电磁波吸收性能可以通过改变纳米氧化锌的含量来调节。

3. 通过对复杂沟槽结构的雷达散射截面进行电磁模拟,证明了该碳基纳米复合材料的良好的电磁波吸收性能。


内容简介


河北工业大学袁野教授等以二氧化硅反蛋白石为模板,以酚醛树脂前驱体为碳源,乙酸锌为锌源,制备了一种超细氧化锌纳米粒子修饰三维有序介孔碳球的复合材料(ZnO/OMCS)。制备的ZnO/OMCS复合材料具有三维有序的阵列结构及良好的孔结构。当氧化锌负载量为30%时ZnO/OMCS复合材料展现出良好的电磁波吸收能力(在10.4 GHz时吸收强度为39.3 dB,厚度为2 mm),有效吸收带宽达到9.1 GHz。复合材料优异的电磁波吸收性能得益于分散性良好的超细ZnO纳米粒子和三维有序的介孔碳球结构。此方法为开发轻质高效的碳基吸波材料开辟了一条独特的途径。



图文导读

I ZnO/OMCS复合材料的制备过程


图1为ZnO/OMCS的制备过程。首先以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体作为硬模板制备二氧化硅反蛋白石模板。然后以此为二次模板,以酚醛树脂为碳源,以两亲性三嵌段聚醚F127为软模板制备三维有序介孔碳球,最后采用溶胶-凝胶法将ZnO纳米粒子与介孔碳球复合得到ZnO/OMCS复合材料。


图1. ZnO/OMCS复合材料制备流程图


II ZnO/OMCS复合材料的纳微结构


图2为模板和复合材料的SEM图。从图2c中可以看出OMCS具有三维有序阵列结构,很好的复制了PMMA胶体晶体模板的蛋白石结构(图2a)。从图2d-f中可以看出通过溶胶凝胶法将ZnO纳米粒子负载在OMCS上不会破坏OMCS的三维有序结构。


图2. (a) PMMA模板的SEM图;(b) 二氧化硅反蛋白石模板的SEM图;(c) 三维有序介孔碳球的SEM图;(d-f) 不同氧化锌纳米粒子含量的ZnO/OMCS复合材料SEM图。


III ZnO/OMCS复合材料的密度泛函计算


通过第一性原理计算研究了ZnO/OMCS的结构。计算出的电子密度差图如图3所示。结果表明,ZnO和C的电荷密度不同,并且ZnO对C表面的电荷分布有影响,少量电子从C原子转移到ZnO中的O原子。这种ZnO/C界面的电子迁移在电磁场作用下会更加显著,有效提升界面极化等对电磁波能量的损耗。


图3. ZnO/ OMCS的仿真结果。(a) 松弛后的石墨/ ZnO结构的俯视图;(b) 电荷密度差的侧视图;沿(011)平面的(c) 电荷密度差和(d) 电子局部化的剖视图。(e) C/ ZnO复合结构,(f) ZnO杂化,(g) 纯ZnO分子的DOS计算结果。


IV ZnO/OMCS复合材料的电磁波吸收性能


从图3可以看出ZnO/OMCS复合材料具有良好的电磁波吸收特性,当氧化锌纳米粒子含量为30%时ZnO/OMCS复合材料最大反射损耗值达到-39.3 dB。并且可以通过改变复合材料中的ZnO纳米粒子的含量调节复合材料的吸收效能和有效吸收频宽。


图3. 不同ZnO含量的ZnO/OMCS复合材料的电磁反射损耗图。(a, b) ZnO/OMCS-20;(c, d) ZnO/OMCS-30;(e, f) ZnO/OMCS-40。


V ZnO/OMCS复合材料电磁波损耗和吸收机理分析


ZnO/OMCS复合材料的电磁波吸收机理可归因于以下几点:1. 碳基的三维有序介孔碳球为实现阻抗匹配提供了丰富的固-气界面。2. 三维有序多孔结构可以提高电磁波的传导损耗、多次反射和散射损耗。3. 第一性原理计算结果表明,超细ZnO纳米颗粒的均匀分布有利于极化界面的形成,ZnO晶体中氧空位引起的缺陷偶极子促进了极化损耗。同时,ZnO纳米粒子在多孔结构中得到有效的分离和分布,有利于形成更致密的介质耦合网络,提高介电损耗能力。而且,高载量的纳米粒子增加了复合材料中的活性中心数目,有利于散射损耗。


为进一步验证该吸波复合材料对电磁波的吸收和抑制效果,将ZnO/OMCS-30涂覆在具有沟槽结构的金属板上,对结构相应的雷达散射截面(RCS)缩减效果进行了仿真研究(图5)。研究结果表明,ZnO/OMCS纳米复合材料具有良好的吸波性能,能有效抑制金属沟槽结构的强电磁散射。



图5. 矩形金属板和含ZnO/OMCS涂层矩形金属板的RCS仿真结果。(a, b) 为金属板和ZnO/OMCS-30涂层金属板的模型;(c, d) 相应的模拟电流分布云图;(e)金属结构和ZnO/OMCS涂层金属结构的RCS值。


(中国粉体网编辑整理/星耀)

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