碳纤维基钴/碳复合吸波材料的可控制备及界面极化机理研究

Due to the numerous preparation methods and uncontrollable products, fiber materials exhibit unstable microwave absorption (MA) performance, which becomes the main concern of fiber-based MA materials. To address this problem, this project proposes the design and synthesis of carbon fiber-based cobalt/carbon composites through noncovalent functionalization and MOFs-derived method. Depending on the concept of suitable component and reasonable structural design, the research systematically investigates the relationship between MA performance and a series of factors, such as component, structure, or the compounding way. In addition, the electromagnetic parameters of the composites will be optimized by adjusting the growth time and carbonization temperature of MOFs, which can ensure the achievements on controllable synthesis and functional enhancements of carbon fiber materials. Furthermore, the research will attempt to elucidate the relevance between interfacial polarization mechanism and MA performance. Combined with CST MWS simulation results and measured MA performance, the interfacial polarization mechanism will be explored, and the univariate relations between interfacial electric field and reflection loss can be established, which will provide the theoretical reference for further analysis of MA mechanism. It is expected that the results in this project will facilitate the reliable synthesis of high-efficient fiber composites, enable new ideas to analyze interfacial polarization mechanism, and thus promote the rapid application and development of high aspect ratio fiber materials in MA field.

针对目前纤维基吸波材料制备方法繁多、目标产物不可控而导致吸波性能不稳定的问题，本项目提出利用非共价功能化和MOFs衍生法等方法设计合成碳纤维基钴/碳复合材料，围绕组分优化和微结构设计系统研究组成、结构和复合方式等因素对材料吸波性能的影响，通过调节MOF的生长时间、碳化温度等后处理工艺优化材料的电磁参数，从而实现特定结构碳纤维材料的可控制备与功能增强。为了进一步明晰复合材料的电磁波衰减机理，本项目基于界面极化机理，在详细分析的基础上，结合CST MWS的理论模拟和实测电磁参数，深入探究“平铺”结构和“葡萄串”结构于界面处的极化作用机理，建立界面电场强度与反射损耗的单变量关系式，为分析电磁波在界面处的衰减机理提供理论借鉴。预期研究成果将为构建高效纤维基复合吸波材料提供可靠的合成方法，为材料的界面极化分析提供新的思路，继而促进高长径比纤维类材料在电磁波吸收领域的快速应用和发展。

碳材料具有密度低、性能稳定、价格低廉等优点，在电磁波吸收领域广泛应用。生物质材料以碳、氢、氧为主要元素，经过高温炭化或水热处理后可得到碳材料，同时还有少量 N、S、O 等原子掺杂，杂原子掺杂能够调节碳原子的表面电荷密度，实现材料介电特性的调控。从碳基吸波材料的制备出发，生物质衍生法提供了一种清洁环保的合成途径，亦符合国家可持续发展的战略方针。. 研究选取香蒲、棉纤维、中空结构杨絮等为生物质原料，磁性金属盐为金属原料，经吸附、配位自组装、高温煅烧得到碳纤维/磁性金属复合材料，包括铁基碳纤维、钴基碳纤维等，对材料相结构、微观形貌、热稳定性、磁特性等理化性质进行表征，分析电磁参量与吸波性能的内在关联，获得高效碳纤维基吸波材料，材料有效吸收带宽均超过4 GHz，最大反射损耗超过-20 dB，材料优异的吸波性能归因于磁-介电双重损耗机制和碳纤维材料高长径比所带来的各向异性。. 碳纳米管 (CNT) 作为典型的高长径比材料，能够产生更明显的形状各向异性而有利于增强材料的吸波性能，且材料的响应带宽和吸收频率亦可通过介电调节而得到有效调控。研究选取二硫化钼作为介电组分调节材料，通过电磁特性调控亦获得优异的吸波性能。以MoS2/CNTs复合材料为例，通过水热和高温煅烧获得所需材料；SEM和TEM确定花状结构MoS2是由MoS2纳米片交联形成并依附于CNTs上；MoS2@CNTs-800具有优异的反射损耗特性，吸收厚度为2.4 mm时，有效吸收频带可达8.16 GHz (8.24 GHz-16.4 GHz)，这可归因于CNTs高电导损耗、偶极极化、界面极化等协同作用，同时，材料多孔隙结构能为电磁波衰减提供适宜的损耗空间，进一步提升复合材料的吸波性能。预期研究将为介电型碳基吸波材料的孔隙设计、杂原子掺杂、电磁调控提供实验指导，为宽频、强吸收、覆盖中高频的碳基吸波材料开发提供借鉴。