碳化硅/多壁碳纳米管复合材料的制备及其吸波性能研究

2022-08-18梁英杰吉小利袁浩泽马倩倩

河南化工 2022年8期

梁英杰，吉小利，袁浩泽，马倩倩

(安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南 232001)

0 前言

电磁波的发现促进了传输技术的发展，在当代社会中扮演着举足轻重的角色。无线技术在许多应用中占有重要地位，但其对周边环境的影响很大，甚至会对其他设备和人体造成很大的影响。所以，寻求一种能够有效地防止电磁波污染的吸收材料，是当前材料化学中的一个重要课题[1]。

碳化硅是目前较理想的一种半导体材料，具有导热能力强、机械性能较好、热膨胀系数小、热性能好、物化性质稳定等特点。在高温或恶劣的工作环境中也可以发挥较大的作用，长期以来人们对碳化硅进行了深入的研究探讨[2-3]。郑海康等[4]以竹炭为碳来源，在惰性环境下进行碳热还原，获得了念珠碳硅/二氧化硅纳米线。当试样的厚度为1.8 mm，在10.62 GHz时，它的RLmin为-43.58 dB，X波段能有效地吸收带宽(RL<-10 dB)达到了2.32 GHz。但是，为了形成一个高性能的吸波材料，必须对其进行表面修饰，与其他材料进行复合或掺杂。

碳纳米管具有比表面积高、质量较轻、导电能力强、机械强度高、耐热性好、耐腐蚀性能良好等优异的物理和化学特性[5]。然而，一般情况下，碳纳米管具有较高的介电常数值，与其磁导率基本不相搭配。而碳化硅的半导体特性则能调节其复介电常数，因此利用水热技术将两种材料进行结合，希望可以获得良好的吸波性能。

1 实验部分

1.1 试剂

纳米碳化硅(化学纯)、多壁碳纳米管(化学纯)，南京先丰纳米材料科技有限公司; 硝酸(分析纯)，上海博河精细化学品有限公司；硅烷偶联剂KH-550(化学纯)，国药集团化学试剂有限公司；草酸(分析纯)，阿拉丁试剂有限公司；丙酮(分析纯)，上海博河化学品有限公司；无水乙醇(分析纯)，成都华夏化学试剂有限公司。

1.2 仪器及设备

80-2离心机，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；KQ 3200E型超声波清洗机，昆山市超声仪器有限公司；磁力搅拌器，金坛市杰瑞尔电器有限公司；集热式恒温加热磁力搅拌器、聚四氟乙烯反应釜，上海予申仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱、FA2004B电子天平，上海精密科学仪器有限公司。

1.3 SiC /MWCNTs复合材料的制备

1.3.1MWCNTs的酸化

用电子天平称量1 g MWCNTs于250 mL三口烧瓶中，再加上150 mL 65%的浓HNO3，然后用超声波分散仪器分散10 min，并在60 ℃的水浴锅中反应6 h。在反应完成后，放置一会儿，再对上面的废酸进行处理。之后抽滤、洗涤数次，在60 ℃的真空烘箱中干燥24 h，就能获得酸化的MWCNTs。

1.3.2SiC的表面改性

①将称量好的1 g硅烷偶联剂KH-550置于烧杯中，再加上蒸馏水不断搅拌，在室温下溶解，通过草酸调节溶液的pH值至3.5～6，并将溶液转移到50 mL容量瓶中，将溶液的质量浓度调整至0.02kg/L。②准备1 g纳米碳化硅以及量取0.5 mL KH-550溶液与29.5 mL的丙酮混合，超声分散10 min，在30 ℃或室温下水解24 h；减压过滤，以无水乙醇和去离子水多次清洗，在60 ℃的真空干燥箱中放置12 h，得到改性的纳米碳化硅。

1.3.3SiC/MWCNTs复合材料的制备

准备0.04 g酸化的多壁碳纳米管(MWCNTs)，然后将其与60 mL的蒸馏水进行混合，并用超声波分散15 min，以形成均匀的黑色溶液。在此基础上，将0.2 g改性后的碳化硅加入到上述得到的黑色溶液中，在室温下机械搅拌4 h，然后用超声波振荡10 min。把分散均匀的混合物溶液迁移入高压釜里，使其在恒温100 ℃的烘箱中保持6 h。最后通过自然制冷，使其温度下降到室温，并对其进行减压过滤，以蒸馏水和无水乙醇洗涤多次，并且在60 ℃的烘箱中进行12 h的干燥。

1.3.4物理共混制备SiC/MWCNTs复合材料

为了更好地与用水热法得到的复合材料进行对照，将未经酸化的MWCNTs与未经改性的SiC按照质量比1∶5进行物理混合。将水热法得到的复合材料标记为S1，而物理混合的复合材料标记为S2。

1.4 样品表征

1.4.1X-射线衍射表征(XRD)

审题分析如果是分别取n=1,2,3,那么很容易得出方程组并且解出答案a=3,b=11,c=10.但是如果运用上述方法就不符合题目的相关要求，但是如果我们通过勾画出关键词的方法引导学生审题就不难发现，对以上的用特殊方法得出的结论还需要用数学归纳法来证明，这样才是正确的解答，才是符合题目要求的解答.

XRD通过X射线衍射来分析物质，并将得到的图谱与物质的标准卡片进行对照比较，来体现其物理结构。实验条件：Cu靶，Kα=0.154 06 nm，电压为30 kV，电流设置为30 mA，扫描的角度10°～80°，扫描速度为2 °/min。

1.4.2FT-IR表征

红外吸收光谱分析方法是利用物质分子对某些特定的光有选择地吸收的性质，定量地分析与鉴定物质结构的一种方法。通过KBr与被测量样品的混合压片(KBr质量为200 mg，被测量样品的质量是KBr的1%)来测试的，测试的波数范围为500～4 500 cm-1。

1.4.3SEM表征

扫描电子显微镜是一种利用二次电子成像来分析得出试样微观形貌的方法。测试样品的制作流程：把少量被测物用超声波分散到没有水的乙醇里，然后滴加到液态导电胶带上，将其黏附到试样台，并进行干燥。利用S4800场发射扫描电子显微镜来观测材料的形态。

1.4.4电磁参数的测试与吸波性能表征

制作测试样品的方法：按一定的比例，将被测试材料和石蜡混合(样品含量为50%)，加热熔融，用玻璃棒搅拌使其均匀，再用模具将混合物压成内外直径分别是3.04 mm和7 mm的同轴圆环，并将同轴环的厚度磨至2.0 mm。最后，用矢量网络分析仪在2～18 GHz的频段内测定试样的电磁参数。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

复合材料S1的XRD图见图1。

图1 复合材料S1的XRD图

由图1可看到，衍射峰具备良好的尖锐性，由此表明该物质具有很好的结晶性。在扫描角度(2θ)在35.59°、41.38°、59.97°、71.77°和75.49°的衍射特征峰与SiC(111)、(200)、(220)、 (311)和 (222)晶面相对应，与 SiC的标准卡片 (JCPDSNo.29-1129)是良好对应的[6]。而MWCNTs的衍射峰在该图谱中没有显著地出现，可能是SiC颗粒的衍射强度太大，导致MWCNTs的峰被遮掩。

2.2 FT-IR分析

图2 复合材料S1的分子振动光谱红外图

2.3 SEM分析

S1的SEM图见图3，从图3中可以看出很多的碳纳米管包裹覆盖在不规则形状的块状碳化硅上。

图3 复合材料S1在不同放大倍数条件下的SEM图

2.4 微波吸收性能分析

为了进一步了解SiC/MWCNTs纳米复合材料的微波吸收特性，根据传输线理论，利用下列公式可以得到该微波吸收材料的反射损耗[7]。

RL=20log(ZinZ0)/(Zin+Z0)

(1)

(2)

其中：Zin是微波吸收材料的输入阻抗，Z0是自由空间阻抗，d为吸波材料的厚度，c代表真空光速，μγ和εγ分别代表的是电磁波吸收体的磁导率和介电常数，f是入射电磁波的频率。计算结果见图4。

图4 复合材料S1 、S2在不同厚度下的反射损耗图

图4(a)为S1的反射损耗图，结果表明：当增大试样的厚度时，材料的最小反射损耗值对应的频率逐渐由Ku频带向X、C频带移动，结果与1/4波长匹配理论相吻合[8-9]。厚度为2 mm时有效吸收带宽最宽，在8.71～11.07 GHz内RL值都比-10 dB低，有效吸收带宽为2.36 GHz；在试样厚度为6 mm，频率为3.21 GHz时，RLmin为-36.91 dB。而在物理混合所得到的复合材料S2的反射损耗图中，最大的反射损耗值比S1要小得多，而在试样厚度为5.5 mm，17.83 GHz时，RLmin为-12.66 dB。S1、S2的阻抗匹配和衰减常数见图5。

图5(a)为样品S1、S2的阻抗匹配图。