MOFs衍生的金属/金属氧化物与MWGNTs复合材料制备及电磁波吸收性能研究

论文摘要

近年来,随着电子产品的高频率使用,电磁波辐射成为一个不可避免的极大问题。因此,对高性能电磁波吸波材料的研究已经成为科研工作者们关注的热点。碳材料具有密度小和高介电常数等优势常被作为轻质吸波材料用在电磁波吸收领域。此外,由于金属有机骨架（metal organic frameworks,MOFs）衍生的复合材料仍拥有母体多孔结构和大比表面积特点,也被用在电磁波吸收领域。论文主要研究具有MOFs结构的沸石咪唑酯骨架（zeolitic imidazole frameworks,ZIFs）ZIF-67 和 ZIF-8 衍生物与多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs）复合材料的制备及电磁波吸收性能。（1）首先选用Co基咪唑酯骨架材料ZIF-67和MWCNTs为前驱母体材料,通过调节两者的比例关系,制备出不同摩尔比的ZIF-67/MWCNTs复合物,在氩气环境中500℃热分解,产物被命名为500-1、500-2和500-3样品（MWCNTs占的摩尔比不同）。分析计算表明由于好的阻抗匹配特性,500-3样品吸波性能最佳。对MWCNTs与ZIF-67的最佳摩尔比的3号样品在三个不同温度（500℃、600℃和700℃）下热分解的产物分析,结果表明随着温度变化得到的复合物不同,500-3和600-3样品的复合物均为Co3O4/MWCNTs,700-3样品的复合物是CoO/MWCNTs。热分解温度不同得到的复合物性能也有区别,700℃时得到的复合物MWCNTs@碳质CoO展示出好的吸波性能,其反射损耗（reflection loss,RL）最优值可达-50.2 dB,小于-10 dB 的频宽为 4.32 GHz（12.32-16.64 GHz）,匹配厚度为1.84 mm。通过对电磁波吸收机理的研究分析,表明高的电磁波吸收性能得益于双损耗机制之间的相互协调、好的阻抗匹配及CoO纳米粒子与MWCNTs之间的协同效应。（2）其次,采用MWCNTs和ZIF-8为前驱体,利用湿化学法和热解法（600℃）制备样品600-1、600-2和600-3（MWCNTs含量不同）,生成纳米多孔碳（nanoporous carbon,NPC）结构的复合物。研究表明600-1样品吸波性能较差,而600-2和600-3样品的吸波性能接近。通过对比研究发现,600-3样品阻抗匹配优于600-2。对样品S3在三个不同温度（600℃、700℃和800℃）下的热分解产物600-3、700-3和800-3进行分析,结果表明样品600-3为复合物ZnO@NPC@MWCNTs,随着热解温度的升高,样品700-3和800-3均为复合物Zn@NPC@MWCNTs。良好的匹配阻抗和强的衰减性能赋予800-3样品在匹配厚度为2.75 mm时,最优RL值可达到-61.17 dB,有效波带（<-10 dB）为4 GHz（8-12GHz）,覆盖整个X波段。优异的吸波性能得益于电磁波在纳米多孔碳中的多次反射及多次吸收。（3）最后,将固定摩尔比的Co-Zn-ZIF与三种不同质量的MWCNTs相结合,分别在三种不同温度（600℃、700℃和800℃）下热分解,得到9个样品,分别命名为样品 600-1、600-2 和 600-3;样品 700-1、700-2 和 700-3;样品 800-1、800-2和800-3。结果显示600℃时热分解复合物为Co3ZnC,但在700℃和800℃时热分解产物相同,均为Co-Zn@NPC@MWCNTs。通过对800-3样品在石蜡中不同填充质量（10wt%、15wt%、20wt%和25wt%）性能研究,结果表明在复合物填充量15 wt%时,吸波体具有最佳的电磁波吸波性能。在8.08 GHz处,RL值最大可达到-51.58 dB,对应匹配厚度为3.0 mm,有效吸波带宽达到6.56GHz（7.2-13.76GHz）。研究结果表明多孔结构、较高的磁导率、Co原子与Zn原子之间的相互协同作用以及较好的阻抗匹配特性增强了 Co-Zn@NPC@MWCNTs复合材料对电磁波的吸收性能。本论文基于 MOFs（ZIF-67、ZIF-8、Co-Zn-ZIF）与 MWCNTs 相结合制备了MOF结构的碳基电磁波吸收复合材料,研究表明具有较强的衰减性能和良好的匹配阻抗特性是吸波材料具备高效吸波性能的两个重要条件,为进一步制备高效电磁波吸收复合材料提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 电磁波吸收材料的研究意义
•   1.2 电磁波吸波材料的工作机理
•   1.3 吸波材料的研究进展
•     1.3.1 铁氧体吸波材料
•     1.3.2 磁性金属吸波材料
•     1.3.3 碳系吸波材料
•   1.4 碳纳米管研究进展
•     1.4.1 碳纳米管的制备方法
•     1.4.2 碳纳米管在电磁波吸收领域的应用
•   1.5 金属有机骨架材料简介
•     1.5.1 IRMOF系列材料
•     1.5.2 ZIFs系列材料
•     1.5.3 UiO系列材料
•     1.5.4 MIL系列材料
•   1.6 金属有机骨架材料在电磁波吸收领域方面应用
•   1.7 金属有机骨架材料（MOFs）制备
•   1.8 论文选题背景及研究内容
•     1.8.1 选题背景
•     1.8.2 研究内容
•   参考文献
• 第二章 实验药品、仪器及其表征方法
•   2.1 实验药品及仪器
•     2.1.1 实验药品
•     2.1.2 实验仪器
•   2.2 材料常见的表征方法
•     2.2.1 X射线衍射
•     2.2.2 X射线光电子能谱
•     2.2.3 扫描电子显微镜
•     2.2.4 透射电子显微镜
•     2.2.5 拉曼光谱分析
•     2.2.6 矢量网络分析仪
•   参考文献
• 第三章 Ku波段钴基MOFs与MWCNTs复合吸波材料制备及性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 实验过程
•     3.2.1 实验材料
•     3.2.2 MWCNTs处理
•     3.2.3 MWCNTs@ZIF-67的合成
•     3.2.4. MWNCTs@碳质CoO制备
•   3.3 表征与测试
•   3.4 结果与讨论
•     3.4.1 XRD分析
•     3.4.2 拉曼和热重分析
•     3.4.3 XPS分析
•     3.4.4 SEM和TEM分析
•     3.4.5 吸波性能分析
•   3.5 本章小结
•   参考文献
• 第四章 X波段锌基MOFs与MWCNTs复合吸波材料制备及性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 实验过程
•     4.2.1 实验材料
•     4.2.2 ZIF-8和ZIF-8@MWCNTs的合成
•     4.2.3 Zn@NPC@MWCNTs的合成
•   4.3 表征与测试
•   4.4 结果与讨论
•     4.4.1 XRD分析
•     4.4.2 拉曼分析
•     4.4.3 SEM和TEM分析
•     4.4.4 XPS分析
•     4.4.5 吸波性能分析
•   4.5 本章小结
•   参考文献
• 第五章 宽频钴-锌基MOFs与MWCNTs复合吸波材料制备及性能研究
•   5.1 引言
•   5.2 实验过程
•     5.2.1 实验材料
•     5.2.2 ZIF-67和ZIF-8的合成
•     5.2.3 Co-Zn-ZIF@MWCNTs的合成
•     5.2.4 Co-Zn@NPC@MWCNTs的合成
•   5.3 表征与测试
•   5.4 结果与讨论
•     5.4.1 XRD分析
•     5.4.2 拉曼分析
•     5.4.3 XPS分析
•     5.4.4 BET分析
•     5.4.5 SEM和TEM分析
•     5.4.6 吸波性能分析
•   5.5 本章小结
•   参考文献
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文工作总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间科研成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 鲁世斌

导师: 陈军宁

关键词: 金属有机骨架,碳纳米管,电磁参数,反射损耗,阻抗匹配

来源: 安徽大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 安徽大学

基金: 国家自然科学基金(No.61376106),安徽省科技重大专项(No.17030901009),安徽省高校自然科学研究项目(No.KJ2018ZD001)

分类号: TB33;O441.4

DOI: 10.26917/d.cnki.ganhu.2019.000034

总页数: 119

文件大小: 13572K

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