一种多壳碗状碳吸波材料及其制备方法

本发明属于材料，涉及一种吸波材料，尤其涉及一种多壳碗状碳吸波材料及其制备方法。

背景技术：

1、电磁波技术的应用极大改善了现代社会便利性，然而也引发了人们对其潜在危害的担忧。长期暴露在电磁辐射下可能对人体健康产生不良影响，包括头痛、疲劳、失眠等症状。此外，电磁波辐射还可能干扰无线通信和电子设备的正常运作，对生活质量和工作效率造成负面影响。为了减少电磁波的危害，科研人员致力于开发吸波材料，从而将电磁波转化为其他形式的能量耗散，减少波束的反射和传播。将吸波材料应用于建筑、电子设备和通信系统中，能够有效地减少电磁波的辐射和干扰，保护人体健康和设备的正常运行。

2、近年来，碳基吸波材料作为一种新兴的吸波材料引起了广泛的关注。相比传统的吸波材料，碳基吸波材料具有以下优势。首先，碳基吸波材料具有良好的吸波性能和宽频带特性，能够吸收多个频率范围内的电磁波。这使得碳基吸波材料在不同应用场景下具有更高的适用性和灵活性。其次，碳基吸波材料具有较低的密度和优异的机械性能。由于其轻质化和高强度的特点，碳基吸波材料在航空航天、汽车工业和电子设备中得到广泛应用。其低密度还使得碳基吸波材料在结构设计中能够减少负载，提高产品的整体性能。而且，碳基吸波材料还具有较高的化学稳定性和耐热性，能够在极端环境下保持其吸波性能的稳定性。这使得碳基吸波材料成为一种可靠的选择，适用于各种复杂的工作环境和特殊工况。

3、为碳基材料设计独特的微纳结构，有利于深度利用其诸多特性。比如，碗状结构能够增大同样质量比情况下的体积，利于轻量化。同时，空腔中的空气还能改善阻抗匹配，达到增加电磁波入射的效果。空心、多孔、蛋黄壳等携带额外空腔或孔隙的结构效果类似。在碗状结构基础上配合逐层生长工艺可以得到多壳碗状结构。这种独特的理想中的复杂结构具有极高的吸波潜质。遗憾的是，由于制备手段的缺乏，至今仍未成功制备过这种结构，也没有相关应用。综上，通过简单安全的方法得到多壳碗状碳纳米材料是极具科学和应用价值。

技术实现思路

1、本发明提供一种多壳碗状碳吸波材料及其制备方法，以克服现有技术的缺陷。

2、为实现上述目的，本发明提供一种多壳碗状碳吸波材料的制备方法，具有这样的特征：包括以下步骤：s1、将3,5-三羟基苯与甲醛进行缩聚反应得到酚醛树脂球；加入n,n-二甲基甲酰胺，静置；冰冻，冷冻干燥，得到单壳碗状酚醛粉末；

3、s2、将单壳碗状酚醛粉末置于3,5-三羟基苯和甲醛中，再次进行缩聚反应；加入n,n-二甲基甲酰胺，静置；冰冻，冷冻干燥，得到双壳碗状酚醛粉末；s3、将双壳碗状酚醛粉末置进行真空热解，得到多壳碗状碳吸波材料。

4、进一步地，s1和s2中，3,5-三羟基苯与甲醛在碱性溶液中进行缩聚反应。

5、进一步地，s1和s2中，甲醛为37wt％的甲醛溶液；3,5-三羟基苯和37wt％的甲醛溶液的用量比为0.1～1g∶0.1～1ml，优选为1g∶1ml。

6、进一步地，s1和s2中，碱性溶液为氢氧化钠溶液；3,5-三羟基苯、37wt％的甲醛溶液、氢氧化钠和混合溶液体积的比例为0.1～1g∶0.1～1ml∶0.05～0.5g∶30～100ml，优选为0.2g∶0.2ml∶0.1g∶60ml。

7、进一步地，s1和s2中，缩聚反应的时间为30～45min。

8、进一步地，s1和s2中，3,5-三羟基苯和n,n-二甲基甲酰胺的用量比为0.1～1g∶30～100ml，优选为0.2g∶60ml。

9、进一步地，s1和s2中，加入n,n-二甲基甲酰胺后，静置时间为10～20min，优选为15min。

10、进一步地，s2中3,5-三羟基苯、甲醛和n,n-二甲基甲酰胺的用量为s1中3,5-三羟基苯、甲醛和n,n-二甲基甲酰胺用量的1～2倍，优选为1.5倍。

11、进一步地，s3中，热解在600～800℃的氮气中进行，优选为700℃，热解时间为1～3h，优选为2h。

12、本发明还提供一种多壳碗状碳吸波材料，由上述制备方法制得。

13、本发明的有益效果在于：

14、(1)本发明的制备方法是利用酚醛去中心化(中间部分被溶解)后被溶液大压强压扁，随着时间推移而不断充气的过程，从而实现灵活的碗状结构制备。

15、具体的，n,n-二甲基甲酰胺是一种含有酰胺基的高度极性溶剂，其分子中含有氧、氮原子，可以与酚醛树脂中的羟基和醛基等官能团形成氢键和其他极性相互作用，从而促进酚醛树脂的溶解。n,n-二甲基甲酰胺分子结构中的酰胺基可以形成较强的氢键，因此在溶解酚醛树脂时，n,n-二甲基甲酰胺分子可以更有效地形成溶剂化层，将酚醛树脂分子包裹在其中，从而促进其溶解。n,n-二甲基甲酰胺由于其分子结构中含有较多的氢键供体和受体，因此具有较强的破坏氢键的能力。在与酚醛树脂相互作用时，n,n-二甲基甲酰胺可以极快地破坏酚醛分子中的氢键，从而使其分子结构变得更加松散，有利于其在溶液中的分散和溶解。

16、碗状空心结构是利用n,n-二甲基甲酰胺溶解时间调节充气-放气动力学构建的。n,n-二甲基甲酰胺可以在极短的时间内完全清除低聚态的酚醛芯，这造成壳层的内部和外部存在短暂的大压强差，外部的压强高于内部，使得空心粒子像没气的篮球一样凹陷成碗状。这种状态无法长时间维持。因为内部的低聚物浓度较高，导致溶剂从外部自动渗透到内部以减小浓度差。渗透机制驱动了充气过程，导致碗状逐渐变为空心。

17、进一步地，为了使得纳米结构固定为空心碗状，在充气充满之前将目标粒子移出溶液，冻结渗透机制，从而定格某一充气节点。通过将迅速冻成冰块，暂停渗透机制和充气过程。然后置于冻干机中将冰块升华留下粉体。该粉体保留了“未充满气”的空心碗状结构。

18、(2)本发明的制备方法是通过逐层生长工艺，在单层碗状结构基础上构建第二层，得到多壳碗状结构。

19、(3)本发明制备方法得到的多壳碗状碳纳米材料中，多壳碗状结构可以促进载流子的运动，改善电导损耗。同时，酚醛衍生碳是无定形碳，具有总体无序、局部有序的特点，有利于发生介电极化吸收电磁波。

20、(4)本发明制备方法得到的多壳碗状碳纳米材料，在20wt％的填充量下，与石蜡进行充分搅拌并压模成外径7.00毫米、内径3.04毫米的同轴环，在2.4毫米的厚度下显示6.35ghz的有效吸收带宽。

技术特征：

1.一种多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的多壳碗状碳吸波材料的制备方法，其特征在于：

10.如权利要求1～9任意一项所述的制备方法制得的多壳碗状碳吸波材料。

技术总结本发明公开了一种多壳碗状碳吸波材料及其制备方法，属于材料技术领域，方法包括：S1、将3,5‑三羟基苯与甲醛进行缩聚反应得到酚醛树脂球；加入N,N‑二甲基甲酰胺，静置；冰冻，冷冻干燥，得到单壳碗状酚醛粉末；S2、将单壳碗状酚醛粉末置于3,5‑三羟基苯和甲醛中，再次进行缩聚反应；加入N,N‑二甲基甲酰胺，静置；冰冻，冷冻干燥，得到双壳碗状酚醛粉末；S3、将双壳碗状酚醛粉末置进行真空热解，得到多壳碗状碳吸波材料。本发明丰富了纳米材料微观结构，且所得的多壳碗状碳吸波材料具有优异的吸波性能。技术研发人员：姚正军,陶佳麒,周金堂受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16