芯鞘结构FeNi@(Co/CN)@碳纤维复合吸波材料的制备方法和应用

本发明属于微波吸收材料，具体设计一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法和应用。

背景技术：

1、碳纤维由于其独特的轻质和高强度特点被广泛用于军事领域，碳纤维的高介电常数及单一的介电损耗机制通常导致阻抗不匹配。现有技术通常在碳纤维内部或者外部引入其他组分来优化阻抗匹配。

2、金属有机骨架（mofs）具有轻质、丰富的拓扑结构、高比表面积、可调的孔结构、良好的兼容性及易功能化等优势，将其作为前驱体经过高温碳化后获得的mofs衍生物均匀分散在碳纤维中，用于调节碳纤维的阻抗不匹配问题，已经获得了广泛研究。但单一的组分和有限的异质界面不能实现灵活的调控，难以获得有效的电磁波衰减，且磁损耗不足导致有效吸收带宽较窄。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法。该制备方法通过多种损耗机制的有效结合，尤其是该芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的芯鞘结构设计及多异质界面和多组分的优势，获得良好的阻抗匹配，实现2-18 ghz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：一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤s1、将聚丙烯腈溶于有机溶剂中，混合搅拌至澄清，得到混合液；取部分混合液作为混合液1，与粒径10-100 nm的zif-67前驱体粉末混合均匀，作为外相溶液；取部分混合液作为混合液2，加入fe粉及ni粉，其中fe粉和ni粉的摩尔比为(1-3):(3-1)，混合均匀作为内相溶液；

4、步骤s2、用两支注射器分别吸取内相溶液和外相溶液，注射剂与不锈钢针头连接，利用同轴静电纺丝工艺制备得到feni@zif-67@聚丙烯腈同轴纤维；

5、步骤s3、将feni@zif-67@聚丙烯腈同轴纤维置于管式炉中，在5% (v/v)的h2/ar混合气氛中、600-900 ℃温度下煅烧1-5 h，得到芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料，该复合吸波材料结构上包括碳纤维及负载在碳纤维中的feni@(co/cn)，所述feni@(co/cn)结构上包括feni合金芯层及包覆在芯层表面的co/cn保护鞘，所述co/cn保护鞘为co负载的n掺杂多孔碳。

6、作为芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法进一步的改进：

7、优选的，粒径10-100 nm的zif-67前驱体粉末通过以下方法制得：将金属钴盐超声溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，得到溶液a；将有机配体2-甲基咪唑超声溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，得到溶液b；将溶液a和溶液b快速混合并搅拌，反应后的混合物离心分离，分离出的固体物经过洗涤和干燥，制得粒径10-100 nm的zif-67前驱体粉末。

8、优选的，溶液a中金属钴盐的摩尔浓度为0.05-0.5 mol/l，溶液b中2-甲基咪唑的摩尔浓度为0.5-1 mol/l，溶液a和溶液b混合时，金属钴盐和2-甲基咪唑的摩尔比为1:8。

9、优选的，所述金属钴盐为六水硝酸钴。

10、优选的，溶液a和溶液b混合搅拌的方式为磁力搅拌，搅拌的转速为500-1000 rpm，搅拌时间为1-3 h；反应后的混合物离心分离的转速为8000-11000 rpm，离心时间为10-30min；分离出的固体物经过洗涤后在55-60℃温度下干燥20-24 h。

11、优选的，步骤s1中的有机溶剂为dmf，混合液中聚丙烯腈的浓度为0.08-0.15 g/ml。

12、优选的，在步骤s1的外相溶液中，混合液1中的聚丙烯腈与zif-67前驱体粉末的质量比为(1-4):1；在步骤s1的内相溶液中，混合液2中的聚丙烯腈与fe粉及ni粉总质量的比为(1-4):1。

13、优选的，步骤s2中，所述同轴静电纺丝工艺的参数如下：接收距离为10-30 cm，推进速率为0.05-0.2 mm/min，电压为10-20 kv，往复平移距离为80-120 mm，往复平移速率为400-600 mm/min，滚筒转速为100-200rpm。

14、优选的，步骤s3中，管式炉以1-5 ℃/min的速率升温至煅烧温度。

15、优选的，本发明的目的之二是提供一种上述任意一项所述芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法制得的芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料在电磁波吸收领域中的应用。

16、本发明相比现有技术的有益效果在于：

17、1）本发明提供一种feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，采用同轴静电纺丝工艺，同轴静电纺丝工艺能够使feni和co/cn在碳纤维内形成芯鞘结构，芯鞘结构的设计可以有效地减轻重量，在薄厚度下获得优异的吸波性能。

18、2）本发明制得的feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料，该复合吸波材料结构上包括碳纤维及负载在碳纤维中的feni@(co/cn)，其中feni@(co/cn)结构上包括feni芯层（feni合金）及包覆在芯层表面的co/cn保护鞘（zif-67碳化之后的产物，即co/cn复合物，形貌为菱形十二面体）。其中多异质界面的存在有利于增强界面极化，促进电磁波在材料内部的耗散和衰减，获得令人满意的微波吸收性能：表现出令人印象深刻的-61.84 db反射损耗（rl），厚度为3.07mm；此外，当厚度达到2.37 mm时，有效吸收带宽扩展到6.24 ghz能应用于电磁波吸收领域。

19、3）本发明制得的feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料，其电磁波吸收性能主要源自碳纤维本身的介电损耗及负载在碳纤维上的feni和co/cn带来的磁损耗，通过控制各组分含量和比例，灵活地调控吸波性能，让材料的阻抗匹配达到平衡，提升电磁波衰减能力。

技术特征：

1.一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，粒径10-100 nm的zif-67前驱体粉末通过以下方法制得：将金属钴盐超声溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，得到溶液a；将有机配体2-甲基咪唑超声溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，得到溶液b；将溶液a和溶液b快速混合并搅拌，反应后的混合物离心分离，分离出的固体物经过洗涤和干燥，制得粒径10-100 nm的zif-67前驱体粉末。

3.根据权利要求2所述的一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，溶液a中金属钴盐的摩尔浓度为0.05-0.5 mol/l，溶液b中2-甲基咪唑的摩尔浓度为0.5-1 mol/l，溶液a和溶液b混合时，金属钴盐和2-甲基咪唑的摩尔比为1:8。

4.根据权利要求2或3所述的一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，所述金属钴盐为六水硝酸钴。

5.根据权利要求2所述的一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，溶液a和溶液b混合搅拌的方式为磁力搅拌，搅拌的转速为500-1000 rpm，搅拌时间为1-3 h；反应后的混合物离心分离的转速为8000-11000 rpm，离心时间为10-30min；分离出的固体物经过洗涤后在55-60 ℃温度下干燥20-24 h。

6.根据权利要求1所述的一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中的有机溶剂为dmf，混合液中聚丙烯腈的浓度为0.08-0.15 g/ml。

7.根据权利要求1所述的一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，在步骤s1的外相溶液中，混合液1中的聚丙烯腈与zif-67前驱体粉末的质量比为(1-4):1；在步骤s1的内相溶液中，混合液2中的聚丙烯腈与fe粉及ni粉总质量的比为(1-4):1。

8.根据权利要求1所述的一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述同轴静电纺丝工艺的参数如下：接收距离为10-30 cm，推进速率为0.05-0.2 mm/min，电压为10-20 kv，往复平移距离为80-120 mm，往复平移速率为400-600 mm/min，滚筒转速为100-200 rpm。

9.根据权利要求1所述的一种芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法，其特征在于，步骤s3中，管式炉以1-5 ℃/min的速率升温至煅烧温度。

10.一种权利要求1-9任意一项所述的芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料的制备方法制得的芯鞘结构feni@(co/cn)@碳纤维复合吸波材料在电磁波吸收领域中的应用。

技术总结本发明属于微波吸收材料技术领域，具体涉及一种芯鞘结构FeNi@(Co/CN)@碳纤维复合吸波材料的制备方法和应用。本发明复合吸波材料的制备方法包括：制备ZIF‑67前驱体粉末，将含聚丙烯腈的混合液与ZIF‑67混合作为外相溶液，将含聚丙烯腈的混合液和Fe粉、Ni粉混合作为内相溶液；采用同轴静电纺丝工艺制造同轴纤维，再置于还原性气氛下碳化获得芯鞘结构FeNi@(Co/CN)@碳纤维。制得的复合吸波材料基于芯鞘结构设计及多异质界面和多组分的优势，实现灵活的微波吸收性能调控，在低厚度下具有宽波段范围内的高吸收性能，解决了现有吸波材料存在的电磁波衰减、磁损耗不足且有效吸收带宽较窄的问题，具有广泛的应用前景。技术研发人员：陈林,郭宜铭,李潇潇,田兴友,张献,王化,宫艺受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/29