一种中空硬碳气凝胶纤维及其制备方法

本发明属于多孔材料制备与电磁波吸收领域，具体涉及一种中空硬碳气凝胶纤维及其制备方法。

背景技术：

1、轻质、宽频、高效的电磁波吸收材料在国防军事隐身技术，信息安全风险防范，环境电磁污染治理等方面具有广泛的应用前景。相比于铁氧体、金属、介质陶瓷吸波材料而言，碳基吸波材料因具有低密度、丰富的官能团和可调节的电学特性，在轻质吸波材料显示出了巨大的潜力。目前碳基吸波材料，如氧化石墨烯(cn112175389b)、膨胀石墨(cn116093631b)、碳纳米管(cn107032325b)或聚合物和生物大分子衍生物(cn115386337b)被开发出来。通过基于不同尺度组成结构调控如原子级缺陷、纳米/微米尺度异质结构、微孔结构和宏观尺度形状等，碳基吸波材料可实现特定的电磁响应。虽然石墨烯气凝胶具有轻质宽频吸波特性，但是吸波响应厚度大，此外气凝胶块材易碎，在采用液体渗透工艺时，难以制作复杂形状的器件，在一定程度上限制了其实际应用。

2、硬碳是碳材料的一个重要类别，不可石墨化，具有非晶结构，主要由不规则分布的晶体和缺陷组成。硬碳内部的离散石墨微晶有利于电子的迁移，丰富的缺陷有利于偶极子的弛豫，因此，这种固有的导电和极化基因可有效促进电磁波衰减。然而，基于宏观制造、微观组装和纳米级化学协同设计合成聚合物衍生的硬碳吸波材料尚未被开发出来。此外，中空结构微纳材料除了具有低密度、高比表面积的特征，其独特的中空结构，可实现电磁波的多重反射和消耗，在吸波材料领域受到广泛关注。然而，目前这类材料的制备方法仍存在工艺复杂、成本高、控制难度大等缺点，限制了其在实际应用中的推广。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种中空硬碳气凝胶纤维及其制备方法，解决了现有技术中的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种中空硬碳气凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：

4、将芳纶纤维、氢氧化钾、二甲基亚砜混合、充分搅拌得到纳米芳纶纤维溶液；

5、以纳米芳纶纤维溶液为壳层纺丝液，以极性溶剂为核层纺丝液，通过牵引凝胶工艺，得到中空芳纶湿凝胶纤维；

6、将中空芳纶湿凝胶纤维，经老化液置换、冷冻干燥得到中空芳纶气凝胶纤维；

7、将中空芳纶气凝胶纤维在惰性气氛保护下，经过热处理，然后冷却降温得到中空硬碳气凝胶纤维。

8、进一步地，纳米芳纶纤维溶液中，芳纶纤维与氢氧化钾的质量比为1：(0.5～2)。

9、进一步地，纳米芳纶纤维溶液的浓度为5-20mg/ml。

10、进一步地，所述牵引凝胶工艺为：纳米芳纶纤维溶液与极性溶剂经同轴针头，以1-20ml/min的注入速度注射到凝固浴中，获得连续的中空芳纶湿凝胶纤维。

11、进一步地，所述极性溶剂为去离子水、乙醇、叔丁醇中的一种或几种混合；所述凝固浴为去离子水、乙酸、乙酸乙酯中的一种或几种混合。

12、进一步地，所述老化液为叔丁醇与水按照1：(3～5)的体积比组成的溶液。

13、进一步地，所述惰性气氛为氮气或氩气。

14、一种中空硬碳气凝胶纤维，采用上述的方法制备得到。

15、一种吸波材料，包括上述的一种中空硬碳气凝胶纤维。

16、上述的一种中空硬碳气凝胶纤维在制备吸波材料中的应用。

17、本发明的有益效果：

18、1、本发明制备的中空硬碳气凝胶纤维，具有低密度、高表面积和孔隙率等优点。中空硬碳气凝胶纤维具有多尺度结构特征，可有效实现对电磁波的吸收。①宏观中空结构有利于提高材料的阻抗匹配，促进电磁波进入材料内部，并实现电磁波在中空结构内部的多重反射与散射，从而增加电磁波的衰减。②微纳纤维气凝胶壁独特的三维网络结构能够促进电子转移，提高材料的电导损耗。③有序/无序杂化硬碳结构内部丰富的缺陷及界面，可提高材料的极化损耗。因此，中空硬碳气凝胶纤维实现了低密度、强吸收、低厚度、宽频的优异吸波特性，适用于多个频段的电磁波吸收，满足不同应用场景的需求。

19、2、硬碳气凝胶纤维材料既保证了吸波效果，又减轻了整体装备的质量，对于航空航天等领域具有重要意义。硬碳气凝胶纤维材料具有良好的热稳定性和化学稳定性，在高温环境下仍能保持良好的吸波性能，适用于严苛环境下的应用。易于加工与集成：硬碳气凝胶纤维易于与其他高分子基体材料复合，利于设计和制造各种形状和尺寸的吸波结构，以适应不同的结构和功能要求。且制备工艺简洁、反应条件温和、可实现连续化生产。此外硬碳基气凝胶纤维在光热转换、海水淡化、能量存储等领域有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种中空硬碳气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种中空硬碳气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，纳米芳纶纤维溶液中，芳纶纤维与氢氧化钾的质量比为1：(0.5～2)。

3.根据权利要求1所述的一种中空硬碳气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，纳米芳纶纤维溶液的浓度为5-20mg/ml。

4.根据权利要求1所述的一种中空硬碳气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述牵引凝胶工艺为：纳米芳纶纤维溶液与极性溶剂经同轴针头，以1-20ml/min的注入速度注射到凝固浴中，获得连续的中空芳纶湿凝胶纤维。

5.根据权利要求4所述的一种中空硬碳气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述极性溶剂为去离子水、乙醇、叔丁醇中的一种或几种混合；所述凝固浴为去离子水、乙酸、乙酸乙酯中的一种或几种混合。

6.根据权利要求1所述的一种中空硬碳气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述老化液为叔丁醇与水按照1：(3～5)的体积比组成的溶液。

7.根据权利要求1所述的一种中空硬碳气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为氮气或氩气。

8.一种中空硬碳气凝胶纤维，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备得到。

9.一种吸波材料，其特征在于，包括权利要求8所述的一种中空硬碳气凝胶纤维。

10.权利要求8所述的一种中空硬碳气凝胶纤维在制备吸波材料中的应用。

技术总结本发明公开一种中空硬碳气凝胶纤维及其制备方法，属于多孔材料制备与电磁波吸收领域；一种中空硬碳气凝胶纤维及其制备方法包括：将芳纶纤维、氢氧化钾、二甲基亚砜混合、充分搅拌得到纳米芳纶纤维溶液；以纳米芳纶纤维溶液为壳层纺丝液，以极性溶剂为核层纺丝液，通过牵引凝胶工艺，得到中空芳纶湿凝胶纤维；将中空芳纶湿凝胶纤维，经老化液置换、冷冻干燥得到中空芳纶气凝胶纤维；将中空芳纶气凝胶纤维在惰性气氛保护下，经过热处理，然后冷却降温得到中空硬碳气凝胶纤维；制备的中空硬碳气凝胶纤维，具有低密度、高表面积和孔隙率等优点。技术研发人员：邵高峰,郭力群,黄啸谷受保护的技术使用者：南京信息工程大学技术研发日：技术公布日：2024/5/10