一种改性螺旋碳纳米纤维泡沫及其制备方法与应用

本发明涉及一种改性螺旋碳纳米纤维泡沫及其制备方法与应用，属于电磁波吸收材料。

背景技术：

1、手性结构已被证明具有衰减电磁波的能力，许多研究表明，螺旋碳纳米纤维泡沫由于其手性结构和介电性质而具有良好的微波吸收性能。螺旋纳米结构除了碳成分和包括缺陷边缘和界面在内的极化中心带来的电阻损耗和极化损耗外，在连续微波照射下，螺旋纳米结构还会引起交叉极化，从而导致共振损耗，这也有助于电磁波的衰减。此外，螺旋碳纳米纤维泡沫具有密度低、尺寸小的优点，在电磁防护涂层中应用是可行的。然而，螺旋碳纳米纤维泡沫的惰性表面特性使得其极化损耗能力和阻抗匹配特性较差，阻碍了其微波吸收性能。

2、基于电磁干扰屏蔽及相关理论，微波衰减的主要机制是介质损耗和磁损耗，其中极化损耗起着关键作用。极化中心包括偶极子、非均相界面和极化结构。在ghz频段，包括电偶极子和界面在内的极化中心对微波的吸收很大，因为这些极化中心导致电极化中心进行阻尼振荡，磁偶极子在微波磁场产生的转矩下带阻尼振荡。对于螺旋碳纳米纤维泡沫而言，提供电阻损耗的主要结构是六边形环，而五边形环和七边形环则可视为缺陷结构，因其提供极化损耗的边缘较少。

3、现有的螺旋碳纤维多为长径比较小的碳管，难以制备出大长径比（不小于150）的碳管，并且由于螺旋碳纤维表面较为惰性，难以与其他材料复合，而螺旋碳纤维材料与空气的阻抗不匹配，电磁波吸收性能差。

技术实现思路

1、针对现有技术螺旋碳纳米纤维泡沫长径比小，电磁波吸收性能差的问题，本发明提出一种改性螺旋碳纳米纤维泡沫及其制备方法与应用，采用无模板的化学气相沉积法制备大长径比（不小于150）的螺旋碳纳米纤维基体，螺旋碳纳米纤维泡沫基体经浓硫酸与浓硝酸的混合酸液浸泡改性得到改性螺旋碳纳米纤维泡沫，螺旋碳纳米纤维泡沫基体为长径比不低于150的碳纳米纤维互相缠绕形成的自支撑泡沫块体。改性螺旋碳纳米纤维泡沫具有手性和螺旋性特征，含有可控的含氧官能团含量，使该材料具有较好的电磁响应特性，良好的阻抗匹配特性，从而具有可控的电磁波吸收能力，可应用于电磁防护领域。

2、一种改性螺旋碳纳米纤维泡沫，由螺旋碳纳米纤维泡沫基体经酸混合液浸泡改性而得，所述酸混合液为浓硫酸与浓硝酸的混合酸液，所述螺旋碳纳米纤维泡沫基体为长径比不低于150的碳纳米纤维互相缠绕形成的自支撑泡沫块体，所述碳纳米纤维的直径为150~200nm；所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫的表面含有缺陷，且负载有官能团c=o、-oh、和-cooh；

3、所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫的制备方法，具体步骤如下：

4、（1）将纳米金属前驱体置于化学气相沉积的管式炉内，在氮气氛围中匀速升温至温度 900~1700℃，匀速通入含碳分子气体和氮氢混合气，在纳米金属前驱体的催化作用下进行化学气相沉积0.5~8h，在氮气氛围下随炉冷却至室温得到螺旋碳纳米纤维泡沫基体raw-hcnts；所述含碳分子气体为甲烷、乙炔、二氧化碳或乙醇；

5、（2）将螺旋碳纳米纤维泡沫基体raw-hcnts置于氩气氛围下，加热至温度800~1800℃并保温2~8h，匀速降温冷却至室温得到退火螺旋碳纳米纤维泡沫基体o-hcnts；

6、（3）将退火螺旋碳纳米纤维泡沫基体o-hcnts加入到稀硝酸中，在冰水浴条件下超声预处理0.5~3h得到预处理螺旋碳纳米纤维泡沫基体h-hcnts；

7、（4）将预处理螺旋碳纳米纤维泡沫基体h-hcnts缓慢加入到酸混合液中搅拌混匀，然后在冰水浴条件下超声浸泡0.5~6h，再经超纯水洗涤，真空干燥即得改性螺旋碳纳米纤维泡沫f-hcnts-xh，x为超声浸泡时间；所述酸混合液为浓硫酸与浓硝酸的混合酸液。

8、所述厚度为2.5mm的改性螺旋碳纳米纤维泡沫f-hcnts-0.5h的最小反射损耗在17.0ghz时达到-43.0db，有效带宽为4.0ghz（14.0~18.0ghz）；厚度为2.4mm的改性螺旋碳纳米纤维泡沫f-hcnts-1.0h的最小反射损耗在17.5ghz处的最小反射损耗达到-45.4db，有效带宽为3.6ghz（14.4~18.0ghz）；改性螺旋碳纳米纤维泡沫f-hcnts-3.0h和改性螺旋碳纳米纤维泡沫f-hcnts-6.0h的反射损耗显著降低。

9、所述步骤（1）纳米金属前驱体为铁基催化剂、铜铁基催化剂或镍铁基催化剂。

10、优选的，所述纳米金属前驱体置于氢气氛围中，在温度280~500℃下活化0.5~3h。

11、所述步骤（1）含碳分子气体的通入速率为20~60 ml/min，氮氢混合气的通入速率为10~50 ml/min，氮氢混合气中氢气的体积分数为20~40%。

12、所述步骤（2）匀速降温速率为5~10 ℃/min。

13、所述步骤（3）稀硝酸浓度为1~3 mol/l。

14、所述步骤（4）酸混合液中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3~5:1。

15、所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫作为吸波材料在电磁波吸收中的应用。

16、本发明螺旋碳纳米纤维基体经依次经退火处理、稀硝酸预处理、酸混合液超声浸泡、超纯水洗涤，真空干燥即可制备出具有手性和螺旋性特征的改性螺旋碳纳米纤维泡沫，酸混合液超声浸泡使螺旋碳纳米纤维泡沫表面形成官能团和缺陷，新形成的极化中心和优化的阻抗匹配特性使电磁波吸收性能大幅增强，同时官能团弛豫与缺陷的协同作用增强材料的介电损耗能，使改性螺旋碳纳米纤维泡沫具有较好的电磁波吸收性能，能够应用于电磁波吸收领域。

17、本发明的有益效果是：

18、（1）本发明采用化学气相沉积法制备大长径比（不小于150）的螺旋碳纳米纤维基体，螺旋碳纳米纤维泡沫基体的碳纳米纤维互相缠绕形成的自支撑泡沫块体；自支撑的螺旋碳纳米纤维泡沫基体的制备不需要模板，其制备方法简单便捷；

19、（2）本发明改性螺旋碳纳米纤维泡沫由螺旋碳纳米纤维泡沫基体经酸混合液浸泡改性而得，改性螺旋碳纳米纤维泡沫具有手性和螺旋性特征，其表面具有可控的含氧官能团含量，使该材料具有较好的电磁响应特性，良好的阻抗匹配特性，从而具有可控的电磁波吸收能力，能够应用于电磁防护领域。

技术特征：

1.一种改性螺旋碳纳米纤维泡沫，其特征在于：所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫由螺旋碳纳米纤维泡沫基体经酸混合液浸泡改性而得，所述酸混合液为浓硫酸与浓硝酸的混合酸液，所述螺旋碳纳米纤维泡沫基体为长径比不低于150的碳纳米纤维互相缠绕形成的自支撑泡沫块体。

2.权利要求1所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫的制备方法，具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)纳米金属前驱体为铁基催化剂、铜铁基催化剂或镍铁基催化剂。

4.根据权利要求2所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫的制备方法，其特征在于：步骤(1)含碳分子气体的通入速率为20～60ml/min，氮氢混合气的通入速率为10～50ml/min，氮氢混合气中氢气的体积分数为20～40％。

5.根据权利要求2所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫的制备方法，其特征在于：步骤(2)匀速降温速率为5～10℃/min。

6.根据权利要求2所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫的制备方法，其特征在于：步骤(3)稀硝酸浓度为1～3mol/l。

7.根据权利要求2所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫的制备方法，其特征在于：步骤(4)酸混合液中浓硫酸与浓硝酸的体积比为3～5:1。

8.权利要求1所述改性螺旋碳纳米纤维泡沫作为吸波材料在电磁波吸收中的应用。

技术总结本发明涉及一种改性螺旋碳纳米纤维泡沫及其制备方法与应用，属于电磁波吸收材料技术领域。本发明改性螺旋碳纳米纤维泡沫由螺旋碳纳米纤维泡沫基体经浓硫酸与浓硝酸的混合酸液浸泡改性而得，螺旋碳纳米纤维泡沫基体为长径比不低于150的碳纳米纤维互相缠绕形成的自支撑泡沫块体。改性螺旋碳纳米纤维泡沫具有手性和螺旋性特征，含有可控的含氧官能团含量，使该材料具有较好的电磁响应特性，良好的阻抗匹配特性，从而具有可控的电磁波吸收能力，可应用于电磁防护领域。技术研发人员：李颖,郭斯仁,赵琳琳,李羽迪,陈思宇,魏汉军,杨旭林,王盼,李逵,冯威,蔡夏龙,冯维,陈智勇,张榕玲,姚金宇受保护的技术使用者：成都大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27