一种微波吸收材料及其制备方法与应用

本发明属于电磁屏蔽材料领域，具体涉及一种微波吸收材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、现代通信技术的快速发展虽然提升了人类的生活水平，却也造成了日益加剧的电磁辐射问题。电磁辐射会对通信造成干扰也会对环境和人类健康造成威胁，为了解决这些问题，开发具有轻薄、宽带、高吸收能力的电磁波吸收（ea）材料变得至关重要。

2、近年来，由于碳基材料具有低密度和一定的吸收效果，碳基吸收材料的研究逐渐受到研究者的关注。生物质碳（bc）具有独特的孔结构、适宜的导电性、环保、低成本且易获取等特点。此外，生物质碳中残留的n、s、si元素可以形成自掺杂效应，使其成为潜在的吸收材料。然而，生物质碳对电磁波的吸收主要归因于介电损耗，而磁损耗的贡献相对较弱，导致其吸收能力有限。

3、先前的研究表明，在碳材料表面负载磁性粒子是增强碳材料磁损耗的有效手段。例如，wang等人成功利用化学共沉淀法制备了由fe3o4纳米粒子组成的多孔麻杆生物炭（pjbc）。研究表明，fe3o4/pjbc复合材料在6.4ghz频率下的最小反射损耗（ rl）值为-39.5db。wang团队还以柚子皮为原料，制备了纳米多孔碳（pc）@nife2o磁性复合材料。该复合材料在13.4ghz频率下具有-50.8db的最小反射损耗，且在2.5mm厚度下的吸收带宽为4.9ghz，表现出优异的微波吸收能力。liu等人以甘蔗渣废料为原料，合成了多孔fe3o4/碳纤维（fe3o4/cf）复合材料。该复合材料在1.9mm厚度下，于15.6ghz处达到最大反射损耗值-48.2db，同时实现了5.1ghz的宽有效吸收带宽。

4、然而，现有的生物炭型吸波材料和磁性材料掺杂的吸波材料等仍然存在制备工艺复杂、成本高昂、电磁波吸收率不足，带宽较窄等缺陷，这制约了其在电磁屏蔽等领域的应用。

技术实现思路

1、为了解决现有吸波材料的制备复杂、成本高、微波吸收性能不足，有效吸收带宽较窄的问题，本发明提供一种由稀土掺杂磁性粒子与生物质碳复合的新型微波吸收材料及其制备方法与应用。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种微波吸收材料的制备方法，其包括如下步骤：

4、将由禾本科植物秸秆制备的生物质碳粉末经活化处理后加入到含有醋酸钠、聚乙二醇和乙二醇的表面活性液中进行表面活性处理。

5、按照cola0.2fe1.8o4的化学计量比，向处理后的混合物中加入可溶性的钴化合物、铁化合物和镧化合物作为前体物质，充分搅拌至各前体物质溶解并分散均匀；其中，可溶性的钴化合物、铁化合物、镧化合物的添加量以最终产物中cola0.2fe1.8o4的负载量达到预设比例为准。

6、将分散均匀后的混合物在高压反应釜中，以135-150°c的反应温度保持24 h，然后自然冷却至室温。

7、过滤出冷却后产物中的固形物，对固形物进行多次洗涤后干燥，得到所需的微波吸收材料。

8、作为本发明进一步的改进，制备生物质碳粉末的生物质材料选择玉米、水稻、高粱、 菰或具有多孔细胞壁结构的禾本科植物的秸秆中的任意一种或多种。

9、作为本发明进一步的改进，生物质碳粉末优选由玉米秸秆制备而成，制备方法为：

10、将破碎后的秸秆在氮气气氛下以10°c/min的速率加热至恒定的450°c，煅烧3 h；然后随炉自然冷却至室温后，取出得到的生物质碳，并将其粉碎至50-200目。

11、作为本发明进一步的改进，生物质炭的活化处理方法为：

12、选择酸液或碱液作为活化液，将生物质炭在活化液中持续搅拌浸泡48h，然后用去离子水冲洗为中性，并在120°c干燥，得到活化后的生物质碳粉末。

13、作为本发明进一步的改进，表面活性液中各组分的配比为：醋酸钠1.3g、聚乙二醇1g、乙二醇70ml。活化液则优选为2mol/l的盐酸溶液，

14、作为本发明进一步的改进，cola0.2fe1.8o4的前体物质选择co(no3)3•6h2o、fe(no3)3•9h2o和la(no3)3•6h2o。

15、作为本发明进一步的改进，表面活性处理过程中，将生物质碳粉末加入到表面活性液中磁力搅拌10min。

16、三种前体物质加入到表面活性处理后的混合物中之后，先磁力搅拌10min，再超声处理30min。

17、作为本发明进一步的改进，微波吸收材料的最终产物中，cola0.2fe1.8o4的负载量为5-30%。

18、作为本发明进一步的改进，过滤后出的固形物采用无水乙醇和/或去离子水洗涤多次，并以80℃的温度烘干。

19、本发明还包括一种微波吸收材料，其采用如前述的微波吸收材料的制备方法制备而成。制备出的微波吸收材料为负载有镧掺杂尖晶石铁氧体cola0.2fe1.8o4的生物质碳。其中，镧掺杂尖晶石铁氧体呈杨梅状，镧掺杂尖晶石铁氧体部分嵌入到生物质碳的空隙中，并呈地毯绒状覆盖在生物质碳表面。

20、本发明还包括一种具有吸波或电磁屏蔽性能的组合物，其包含如前述的微波吸收材料；该具有吸波或电磁屏蔽性能的组合物用于吸收或屏蔽6.4ghz~13.8ghz波段内的电磁波。

21、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

22、本发明具有多孔细胞壁的禾本科植物（如玉米）的秸秆作为原料合成生物质碳，并采用水热法将稀土镧掺杂的磁性钴铁氧体cola0.12fe1.88o4（la-cfo）负载到生物质碳上，制备出一种新型复合微波吸收剂la-cfo@bc。该复合材料的优势在于稀土磁性钴铁氧体与生物质碳之间的协同效应，以及la-cfo所展现的独特地毯绒状和杨梅状形态。la-cfo的加载调节了复合材料的电磁参数，弥补了纯bc材料磁损耗较弱的缺点，这些因素共同增强了复合材料的衰减能力和阻抗匹配条件。

23、本发明提供的新型复合材料la-cfo@bc具有优异的阻抗匹配特性，并展现出了卓越的微波吸收能力。在入射电磁波频率为12.8 ghz、厚度为2.5 mm的条件下，la-cfo@bc的最小反射损耗值达到了-53.2 db，有效吸收带宽为6.4 ghz。通过在1.0至5.5 mm之间调整复合材料的厚度，la-cfo@bc的有效吸收带宽可扩展至13.8 ghz，覆盖了整个x波段、ku波段以及大部分c波段的电磁波。

24、本发明提供的微波吸收材料的新工艺以玉米秸秆等农业废弃物为原料，并通过水热法进行复合材料的合成。该工艺的原料成本低廉，工艺流程简单，可以大幅降低微波吸收材料的制造成本。此外，与现有吸波材料比较而言，本发明制备的新材料的有效吸收带宽更宽，吸收量也更高，这些卓越的性能使la-cfo@bc复合材料有望成为微波吸收应用领域（如吸波涂料、电磁屏蔽材料）的潜在候选材料，市场前景广阔。

技术特征：

1.一种微波吸收材料的制备方法，其特征在于，其包括：

2.如权利要求1所述的微波吸收材料的制备方法，其特征在于：制备所述生物质碳粉末的生物质材料选择玉米、水稻、高粱、菰或具有多孔细胞壁结构的禾本科植物的秸秆中的任意一种或多种。

3.如权利要求2所述的微波吸收材料的制备方法，其特征在于：所述生物质碳粉末由玉米秸秆制备而成，制备方法为：

4.如权利要求3所述的微波吸收材料的制备方法，其特征在于，所述表面活性处理采用的表面活性液中各组分的配比为：醋酸钠1.3g、聚乙二醇1g、乙二醇70ml；

5.如权利要求1所述的微波吸收材料的制备方法，其特征在于：cola0.2fe1.8o4的前体物质选择co(no3)3•6h2o、fe(no3)3•9h2o和la(no3)3•6h2o。

6.如权利要求1所述的微波吸收材料的制备方法，其特征在于：表面活性处理过程中，将生物质碳粉末加入到表面活性液中磁力搅拌10min；

7.如权利要求1所述的微波吸收材料的制备方法，其特征在于：微波吸收材料的最终产物中，cola0.2fe1.8o4的负载量为5-30%。

8.如权利要求1所述的微波吸收材料的制备方法，其特征在于：过滤后出的固形物采用无水乙醇和/或去离子水洗涤多次，并以80℃的温度烘干。

9.一种微波吸收材料，其特征在于，其采用如权利要求1-8中任意一项所述的微波吸收材料的制备方法制备而成；所述微波吸收材料为负载有镧掺杂尖晶石铁氧体cola0.2fe1.8o4的生物质碳；其中，镧掺杂尖晶石铁氧体呈杨梅状，镧掺杂尖晶石铁氧体部分嵌入到生物质碳的空隙中，并呈地毯绒状覆盖在生物质碳表面。

10.一种具有吸波或电磁屏蔽性能的组合物，其特征在于，其包含如权利要求9所述的微波吸收材料；所述具有吸波或电磁屏蔽性能的组合物用于吸收或屏蔽6.4~13.8ghz波段内的电磁波。

技术总结本发明属于电磁屏蔽材料领域，具体涉及一种微波吸收材料及其制备方法与应用。该制备方法首先以玉米等具有多孔细胞壁的禾本科植物秸秆为原料制备了生物质碳（BC），然后通过水热法将稀土掺杂的尖晶石铁氧体（La‑CFO）直接负载于BC上，进而成功合成一种低密度的微波吸收复合材料（La‑CFO@BC）。其中，La‑CFO采用La、Fe和Co的水合硝酸盐作为前体物质配置而成。该微波吸收复合材料不仅保留了典型生物质碳材料低密度和丰富孔隙的特性，还展现出了独特的形貌特征。La‑CFO的加载不仅提升了微波的散射和消耗，还调节了复合材料的电磁参数，弥补了纯BC材料磁损耗较弱的缺点，进而大幅扩展复合材料的微波吸收带宽并提高了微波吸收率。技术研发人员：尚涛,赵雪冰,赵建军,朱宏伟,尚义淳,武瑞霞受保护的技术使用者：内蒙古科技大学包头师范学院技术研发日：技术公布日：2024/6/18