介孔碳基吸波材料的制备及其吸波规律研究

信息社会和电子工业的高速发展，迫切需要开发高效的电磁波吸收材料来解决电磁干扰和电磁污染问题。针对于目前吸波材料密度偏大和吸收频带较窄的问题，本项目提出了制备介孔碳基轻质吸波材料，主要着眼于介孔碳材料孔壁石墨化程度的控制进而调变其电磁参数，使材料在2-18GHz的频率范围内具有良好的吸波性能，并研究介孔碳材料的结构对吸波性能的影响，设计合成出高效的介孔碳吸波材料。利用一些对电磁波具有较强损耗的磁性纳米粒子修饰得到的介孔碳材料，形成介孔碳基复合材料，使材料在该频率范围内具有更高效的电磁波吸收性能，达到介电常数与磁导率相匹配、微波电磁参量频率响应特性良好。并探索复合材料结构、组成与吸波性能之间的关系和规律，通过规律性的认识，进一步指导吸波材料的制备。本项目的研究不仅可以形成一些新的理论成果，同时为研发具有应用前景的轻质电磁波吸收材料提供理论基础。

以间苯二酚和甲醛为基本原料，三嵌段共聚物F127为模板，利用前驱物间的自组装得到了有序的介孔酚醛树脂，进一步在氮气氛围下碳化制得有序介孔碳材料。通过调变碳化温度，进而控制介孔碳材料的石墨化程度，并研究石墨化程度对介孔碳材料电磁性能及吸波效果的影响。同时，改变实验条件制备了非孔碳材料和无序的介孔碳材料，并使其具有与介孔碳材料相同的石墨化程度，分析孔结构对于碳材料吸波性能的影响。结果表明，石墨化程度是影响碳材料吸波性能的第一要素。当材料具备较高的石墨化程度时，尽管孔结构能够降低相应的电磁参数，但无法对吸波性能形成明显影响。当材料具备合适的石墨化程度时，孔结构的存在，特别是有序孔结构的存在，不仅可以降低电磁参数，优化阻抗匹配特性，同时还能够提升材料的吸波性能。通过调节表面活性剂的种类和用量，以及采取双表面活性剂的实验方案，旨在改变自组装过程中胶束的构型和亲疏水程度，从而调控介孔碳材料的结构和孔径，研究结构参数对碳材料电磁性能和吸波性能的影响。结果表明，结构和孔径的变化对于碳材料的电磁性能影响并不十分明显，相对关键的因素是孔容，介电常数会随孔容的增大而略呈下降的趋势。以优化的介孔碳材料为基体，通过铁氧体材料(Fe3O4、CoFe2O4等)的引入构建了一系列复合吸波材料，但由于铁氧体材料的磁导率较小，不能明显改进复合材料的磁损耗性能，且铁氧体的过多引入会造成介孔碳材料结构参数急剧下降，丢失结构优势。进一步尝试以FeCo合金材料为磁性组分，尽管磁导率能够在一定程度上得到改善，但吸波性能仍有待于进一步优化。综合阶段性研究成果，课题组决定对研究计划作部分修改，考虑到复合材料中很难体现介孔材料的结构优势，且对于碳材料最重要的因素是石墨化程度而非孔结构，因此我们认为核壳型的碳基复合材料将会是良好的替代者。一方面其不受磁性材料引入量的限制，另一方面它具有良好的化学均匀性，避免了介孔碳基复合材料中磁性组分的随机分布。利用原位聚合法，成功制备了Fe3O4@C复合材料且表面碳层厚度在一定范围内可调。这种复合材料集成了磁性损耗和介电损耗的机制，在2-18GHz范围内显示了良好的吸波性能，且吸波频段可任意调谐。另外，在本项目的资助下，课题组在铁氧体材料和导电聚合物材料的制备，以及铁氧体与聚苯胺复合吸波材料的等方面也取得了一定的研究成果，为轻质、高效的新型吸波材料研制提供了一定的理论依据和科学参考。