一种Co9S8-碳纤维复合吸波材料及其制备方法和应用

本发明属于微波吸收材料，具体涉及一种co9s8-碳纤维复合吸波材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在5g电子通信设备和航空航天技术进步的背景下，由于对减轻电磁辐射相关污染的迫切关注，对电磁吸收材料的需求明显激增。在这种情况下，一个最大的挑战仍然是获得具有高微波吸收特性的轻质材料。碳纤维由于其轻质特性、强大的强度和抗疲劳能力的显著结合，已成为飞机和火箭建造的重要组成部分。特别值得注意的是它在有效吸收雷达波使军用飞机隐形中的应用。然而，值得注意的是，由于碳纤维具有相对较高的介电常数，通常会导致与自由空间的显著阻抗不匹配。

2、研究者采用了各种方法来调节碳纤维的阻抗匹配，比如表面改性、低温碳化、多孔结构设计及与其他材料复合形成异质结等。金属硫化物具有固有的导电性和磁性，为微波吸收提供了广阔前景，与碳纤维结合使用时可以实现电磁协同，分层非均匀相结构诱导界面极化优化阻抗匹配，因此在吸波领域受到了研究者的广泛关注。研究者已经描述了各种金属硫化物的显著潜力，为了优化微波吸收性能，研究人员对钴基金属硫化物采用了创新的设计策略，产生了不同的形态结构。不同的合成方法对组成和形貌有显著影响，对于微观结构的调控是有必要的。传统的模板法过程复杂且副产物较多存在一定的缺陷，金属有机骨架(mofs)提供了一个很有前途的替代方案。mofs是通过金属离子和有机配体的自组装形成的多孔骨架化合物，拓扑结构丰富，由mof作为前驱体通过高温碳化和硫化衍生得到的金属硫化物形貌丰富且可调性更强，且没有团聚问题，高温处理后的多孔、高比表面积及拓扑形貌得以保留。例如，zif-67衍生的mof转化为磁性金属/碳或磁性金属硫化物/碳复合材料获得了极大的兴趣。虽然磁性金属硫化物/碳复合材料已被探索为有效的微波吸收器，但当代研究往往在管炉中费力的气相沉积方法来实现zif-67硫化物。这一过程容易造成材料损失，在精确调节硫化物负荷方面存在挑战。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种co9s8-碳纤维复合吸波材料的制备方法。该制备方法通过溶剂热方法和静电纺丝工艺，制得的复合材料能够实现多种损耗机制的有效结合，获得良好的阻抗匹配，实现2-18ghz频率范围内的薄、轻、宽、强的吸波性能，是新型轻质高效微波吸收材料的理想选择。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种co9s8-碳纤维复合吸波材料的制备方法，所述co9s8-碳纤维复合吸波材料包括空心结构的co9s8和碳纤维骨架，所述空心结构的co9s8内嵌在碳纤维骨架中；其制备方法包括如下步骤：

3、步骤1，将钴盐溶于去离子水中得到钴盐溶液，2-甲基咪唑溶于去离子水中得到2-甲基咪唑溶液，将钴盐溶液和2-甲基咪唑溶液混合并超声分散，生成含有配位聚合物zif-67的前驱体溶液；

4、将乙二醇和去离子水混合作为混合溶剂，再加入硫代乙酰胺组成硫代乙酰胺溶液；

5、将上述硫代乙酰胺溶液与前驱体溶液混合，超声分散后磁力搅拌，然后转移到高压反应釜进行溶剂热反应，反应结束后冷却至室温，经过离心、洗涤和干燥，得到co3s4/zif-67复合粉末；

6、步骤2，将聚丙烯腈溶于n,n-二甲基甲酰胺中，室温下搅拌4-12h，形成均匀透明的溶液，加入上述制得的co3s4/zif-67复合粉末，充分搅拌均匀，得到co3s4/zif-67-pan混合溶液；

7、步骤3，吸取co3s4/zif-67-pan混合溶液，通过静电纺丝工艺，制备得到co3s4/zif-67-pan复合纤维；

8、步骤4，将co3s4/zif-67-pan复合纤维置于管式炉中，在氩气氛围中、600-900℃下保温煅烧1-5h，制得的复合材料包括碳纤维骨架以及内嵌在碳纤维骨架中的空心结构的co9s8，记为co9s8-碳纤维复合吸波材料。

9、作为co9s8-碳纤维复合吸波材料的制备方法进一步的改进：

10、优选的，步骤1中，所述钴盐溶液的浓度为0.04-0.1mol/l，所述2-甲基咪唑溶液的浓度为1-1.5mol/l；将钴盐溶液和2-甲基咪唑溶液混合时，钴盐溶液中所含钴盐和2-甲基咪唑溶液中所含2-甲基咪唑的摩尔比为1:(10-40)。

11、优选的，步骤1中，乙二醇和去离子水按照2:1的体积比混合作为混合溶剂，硫代乙酰胺溶液中硫代乙酰胺的浓度为0.05-0.2mol/l。

12、优选的，步骤1中硫代乙酰胺溶液与前驱体溶液以1:(0.2-5)的体积比混合，然后超声分散10-50min，再磁力搅拌10-50min，溶剂热反应的温度为120-180℃，时间为8-24h。

13、优选的，步骤1中干燥的温度为30-70℃，时间为8-24h。

14、优选的，步骤2中，聚丙烯腈在n,n-二甲基甲酰胺中的溶解浓度为0.05-0.2g/ml，聚丙烯腈和co3s4/zif-67复合粉末的质量比为(1-5):1。

15、优选的，步骤3中，所述静电纺丝工艺的参数如下：接收距离为10-30cm，纺丝液流量为0.5-2ml/h，施加的静电电压为16-21kv，接收滚筒转速为100-1000rpm，温度为20-25℃，湿度为4-10rh，纺丝时间为8-12h。

16、优选的，步骤4中，以1-5℃/min的升温速率升温至煅烧温度。

17、本发明的目的之二是提供一种上述任意一项所述的一种co9s8-碳纤维复合吸波材料的制备方法制得的co9s8-碳纤维复合吸波材料。

18、本发明的目的之三是提供一种上述co9s8-碳纤维复合吸波材料在电磁波吸收领域中的应用。

19、本发明相比现有技术的有益效果在于：

20、1)本发明公开了一种co9s8-碳纤维复合吸波材料及其制备方法。本发明采用甲基咪唑作为有机配体，和金属钴盐反应得到配位聚合物zif-67；然后通过简单的溶剂热方法，将硫源直接引入到zif-67中，直接硫化得到空心结构的co3s4/zif-67复合物，然后，将co3s4/zif-67复合物加入到聚丙烯腈的n,n-二甲基甲酰胺溶液中，通过静电纺丝工艺复合，再进一步高温碳化获得co9s8-碳纤维复合吸波材料。

21、2)本发明的溶剂热方法有多个优点：一方面，zif-67的多面体形态保存，另一方面，它促进金属硫化物的直接形成不需要费力的程序，并且通过硫源蚀刻导致空心结构的形成。这种空心结构促进了电磁波的多重反射和散射。将这种独特的空心结构金属硫化物结合到碳纤维中，预计将解决通常与碳纤维相关的阻抗失配问题。具体来说，将中空结构的金属硫化物与碳纤维结合，出现了一个非均匀的结构。这种结构修饰不仅增强了界面极化弛豫过程，而且由于其独特的介电特性和磁性特性而改善了阻抗匹配。我们的研究利用了协调的多组分相互作用、非均匀界面极化、多重反射和散射，以及mof衍生金属硫化物固有的磁损失机制。这些创新共同作用大大提高吸收器的微波吸收性能。

22、3)本发明在通过碳纤维中引入一种空心结构的金属硫化物co9s8，从而获得可调的吸波性能，解决单碳纤维材料固有的局限性，通过静电纺丝使co9s8像糖葫芦一样地串在碳纤维上，并通过可控的碳化温度实现可调的微波吸收性能，获得了令人满意的微波吸收性能：在10.85ghz的频率(x波段)下表现出优异的-60.83db反射损耗(rl)，对应厚度为2.76mm；此外，当厚度达到2.19mm时，有效吸收带宽扩展到5.6ghz，在12ghz～17.6ghz频段内具有90％以上的电磁波有效吸收。所得的复合复合吸波材料具有轻质、厚度薄、有效吸收带宽、反射损耗强等关键特性。