一种双金属有机框架衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸
波材料的制备方法
技术领域
[0001] 本
发明属于电磁
复合材料技术领域,具体涉及
一种双金属有机框架衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料的制备方法。
背景技术
[0002] 随着军事领域中的电磁隐身技术的发展需要以及
电磁干扰、电磁污染问题的日趋严重,
电磁波吸收材料逐渐成为功能材料领域的研究热点。电磁波吸收材料是指能吸收、衰减入射的电磁波,并将电磁能转换成
热能或其它形式的
能量而耗散掉,或使电磁波因干涉而消失的一类材料。传统电磁波吸收材料,如
铁氧体、金属微粉和碳化
硅等,通常存在吸收频带窄、
密度高的缺点,因而限制了它们在实际中的应用。新型的电磁波吸收材料一般需要满足厚度薄、
质量轻、吸收频带宽、吸收性能强(“薄、轻、宽、强”)等要求。
[0003]
多壁碳纳米管(MWCNTs)是一种新型一维碳
纳米材料,具有独特的中空管状结构、大长径比、低密度、优异的
导电性能和
力学性能、高的介电损耗等特性,使其在电磁波吸收材料领域具有良好的应用前景。但单一的MWCNTs用于电磁波吸收材料时,由于阻抗匹配特性较差,吸波性能难以满足商业应用需求(反射损耗值低于-10dB)。
[0004] 根据电磁理论,材料具有优良的
微波吸收性能通常需要满足两个条件:良好的阻抗匹配和强电磁衰减。因此,将介电损耗型MWCNTs与
磁性材料(铁氧体、磁性金属和磁性
合金等)复合构建杂化材料有望获得一类轻质、高效、宽频的电磁波吸收材料。
[0005] 金属—有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料是近十年来发展迅速的一种配位化合物,一般以
金属离子为配位中心,有机配位体
支撑构成三维空间延伸。MOFs具有三维孔道结构,高孔隙率、低密度、大
比表面积、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性等优点,因此在催化、储能和分离等领域均有广泛的应用。此外,钴基MOFs高温
热解时可以生成钴/多孔碳纳米复合材料,具有良好的磁损耗、介电损耗特性和独特的孔结构,可以通过协同作用、界面极化和多重反射/散射等机制有效衰减入射的电磁波,因此是一种潜在的性能优良的电磁波吸收材料。然而,目前鲜有双金属有机框架材料与多壁碳纳米管复合制备多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料的报道。
[0006] 本发明通过将多壁碳纳米管和双金属(Co、Zn)有机框架进行复合,采用简单的高温热解法制备多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料,通过调节MWCNTs的添加量和涂层的厚度可以实现对不同波段的电磁波有效吸收。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种双金属有机框架衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料的制备方法,该复合材料不但具有吸收强、频带宽、吸收波段易调控等特点,而且其制备过程简单、绿色环保。
[0008] 本发明通过以下技术方案实现:
[0009] 一种双金属有机框架衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料,所述的纳米复合吸波材料由多壁碳纳米管负载Co/Zn双金属纳米多孔碳组成。
[0010] 一种双金属有机框架衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料的制备方法,其步骤如下:
[0011] 1、取1个250mL烧杯,加入40mL甲醇和40mL无
水乙醇,混合均匀。称取一定量(分别为50、25和0mg)的多壁碳纳米管(MWCNTs)、1.74g六水合
硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和1.78g六水合硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)依次加入甲醇/无水乙醇
混合液。剧烈搅拌30min后超声分散30min,交替进行5次,控制搅拌和超声时间均为2.5h。得到的混合液标记为溶液A。
[0012] 2、取1个250mL烧杯,加入40mL甲醇和40mL无水乙醇,混合均匀。然后加入3.94g的2-甲基咪唑,剧烈搅拌20min。得到的混合液标记为溶液B。
[0013] 3、在剧烈搅拌的条件下将溶液B快速加入溶液A中,剧烈搅拌20min后将混合分散液静置老化24h。
[0014] 4、老化结束后,用无水乙醇反复离心洗涤多次,收集沉淀物,放入
真空干燥箱,在50℃干燥12h。
[0015] 5、在管式炉中氩气气氛下对干燥的沉淀物进行高温
热处理,
温度为700℃,升温速率为2℃/min,保温时间为4h,冷却至室温后得到最终产物。
[0016] 与
现有技术相比,本发明的有益技术效果体现在以下方面:
[0017] 1、本发明制备的双金属有机框架衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料,操作简便,绿色安全,无任何有毒有害物质产生。
[0018] 2、本发明制备的双金属有机框架衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料吸波性能优异,具有密度低、吸收强、频带宽、吸波性能易调控等特点。在3.0mm厚度下,最大吸收强度可达-39.07dB;通过调节MWCNTs的添加量和涂层的厚度可以实现对不同波段的电磁波有效吸收。
[0019] 3、本发明制备的衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料,通过孔道结构的反射/散射和异质界面极化,结合介电损耗与磁损耗的协同效应,可以有效增强复合材料对电磁波的吸收能力。
附图说明
[0020] 图1是
实施例1、2、3中产物的XRD谱图;
[0021] 图2是实施例1中产物S1的TEM照片;
[0022] 图3是实施例1中产物S1的反射损耗随
频率的变化曲线;
[0023] 图4是实施例2中产物S2的反射损耗随频率的变化曲线;
[0024] 图5是实施例3中产物S3的反射损耗随频率的变化曲线。
[0025] 具体实施方法
[0026] 现结合实施例和附图对本发明作进一步描述:
[0027] 实施例1
[0028] 1、取1个250mL烧杯,加入40mL甲醇和40mL无水乙醇,混合均匀。称取50mg MWCNTs、1.74g Co(NO3)2·6H2O和1.78g Zn(NO3)2·6H2O依次加入甲醇/无水乙醇混合液。剧烈搅拌
30min后超声分散30min,交替进行5次,控制搅拌和超声时间均为2.5h。得到的混合液标记为溶液A。
[0029] 2、取1个250mL烧杯,加入40mL甲醇和40mL无水乙醇,混合均匀。然后加入3.94g的2-甲基咪唑,剧烈搅拌20min。得到的混合液标记为溶液B。
[0030] 3、在剧烈搅拌的条件下将溶液B快速加入溶液A中,剧烈搅拌20min后将混合分散液静置老化24h。
[0031] 4、老化结束后,用无水乙醇反复离心洗涤多次,收集沉淀物,放入真空干燥箱,在50℃干燥12h。
[0032] 5、在管式炉中氩气气氛下对干燥的沉淀物进行高温热处理,温度为700℃,升温速率为2℃/min,保温时间为4h,冷却至室温后得到最终产物,记作S1。
[0033] 实施例1产物的XRD谱图见图1。将实施例1中的粉末产物和
石蜡按照质量比1:3,在专用模具中压制成外径7.00mm、内径3.04mm、厚度约2mm的同轴试样,用型号为AV3629D
矢量网络分析仪测试其电磁参数,计算得到吸波性能,测试
频率范围为2-18GHz。样品S1的反射损耗随频率的变化曲线如图3所示,当匹配厚度为4.5mm,在3.04GHz时最大吸收强度达到-16.55dB;当匹配厚度为1.5mm,在10.96-13.20GHz范围内电磁波吸收强度均在-10dB以下,有效吸收宽度为2.24GHz。
[0034] 实施例2
[0035] 1、取1个250mL烧杯,加入40mL甲醇和40mL无水乙醇,混合均匀。称取25mg MWCNTs、1.74g Co(NO3)2·6H2O和1.78g Zn(NO3)2·6H2O依次加入甲醇/无水乙醇混合液。剧烈搅拌
30min后超声分散30min,交替进行5次,控制搅拌和超声时间均为2.5h。得到的混合液标记为溶液A。
[0036] 2、取1个250mL烧杯,加入40mL甲醇和40mL无水乙醇,混合均匀。然后加入3.94g的2-甲基咪唑,剧烈搅拌20min。得到的混合液标记为溶液B。
[0037] 3、在剧烈搅拌的条件下将溶液B快速加入溶液A中,剧烈搅拌20min后将混合分散液静置老化24h。
[0038] 4、老化结束后,用无水乙醇反复离心洗涤多次,收集沉淀物,放入真空干燥箱,在50℃干燥12h。
[0039] 5、在管式炉中氩气气氛下对干燥的沉淀物进行高温热处理,温度为700℃,升温速率为2℃/min,保温时间为4h,冷却至室温后得到最终产物,记作S2。
[0040] 实施例2产物的XRD谱图见图1。将实施例2中的粉末产物和石蜡按照质量比1:3,在专用模具中压制成外径7.00mm、内径3.04mm、厚度约2mm的同轴试样,用型号为AV3629D矢量网络分析仪测试其电磁参数,计算得到吸波性能,测试频率范围为2-18GHz。样品S2的反射损耗随频率的变化曲线如图4所示,当匹配厚度为3.5mm,在4.96GHz时最大吸收强度达到-28.54dB;当匹配厚度为1.5mm,在11.80-15.84GHz范围内电磁波吸收强度均在-10dB以下,有效吸收宽度为4.04GHz。
[0041] 实施例3
[0042] 1、取1个250mL烧杯,加入40mL甲醇和40mL无水乙醇,混合均匀。称取0mg MWCNTs、1.74g Co(NO3)2·6H2O和1.78g Zn(NO3)2·6H2O依次加入甲醇/无水乙醇混合液。剧烈搅拌
30min后超声分散30min,交替进行5次,控制搅拌和超声时间均为2.5h。得到的混合液标记为溶液A。
[0043] 2、取1个250mL烧杯,加入40mL甲醇和40mL无水乙醇,混合均匀。然后加入3.94g的2-甲基咪唑,剧烈搅拌20min。得到的混合液标记为溶液B。
[0044] 3、在剧烈搅拌的条件下将溶液B快速加入溶液A中,剧烈搅拌20min后将混合分散液静置老化24h。
[0045] 4、老化结束后,用无水乙醇反复离心洗涤多次,收集沉淀物,放入真空干燥箱,在50℃干燥12h。
[0046] 5、在管式炉中氩气气氛下对干燥的沉淀物进行高温热处理,温度为700℃,升温速率为2℃/min,保温时间为4h,冷却至室温后得到最终产物,记作S3。
[0047] 实施例3产物的XRD谱图见图1。将实施例3中的粉末产物和石蜡按照质量比1:3,在专用模具中压制成外径7.00mm、内径3.04mm、厚度约2mm的同轴试样,用型号为AV3629D矢量网络分析仪测试其电磁参数,计算得到吸波性能,测试频率范围为2-18GHz。样品S3的反射损耗随频率的变化曲线如图5所示,当匹配厚度为3.0mm,在7.92GHz时最大吸收强度达到-39.07dB;当匹配厚度为2.0mm,在11.20-15.44GHz范围内电磁波吸收强度均在-10dB以下,有效吸收宽度为4.24GHz。
[0048] 由以上实施例的测试结果可知,本发明采用简单的高温热解法制得一种双金属有机框架衍生多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料,该方法操作简单、安全绿色、无毒害物质产生,复合材料的电磁波吸收性能优异,样品S3的最大吸收强度达-39.07dB,通过调节MWCNTs的添加量和涂层的厚度可以实现对不同波段的电磁波有效吸收,因此,制得的多孔碳/多壁碳纳米管纳米复合吸波材料是一种理想的电磁波吸收材料。