一种各向异性多功能碳基吸波气凝胶及其制备方法和应用

本发明属于吸波材料，具体涉及一种各向异性多功能碳基吸波气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着信息技术的飞速发展，电磁波在现代社会中发挥着日益重要的作用，特别是在无线通信和雷达探测等领域。然而，电磁波也带来了电磁辐射污染和电磁干扰等不容忽视的问题，尤其在航空航天、军事防御和电力传输等特定环境中更为显著。因此，研发高效的电磁波吸收材料变得至关重要。

2、目前的电磁波吸收材料以磁性金属及其复合材料形成的纳微粉末为主，磁性组分与介电材料的组合既优化了阻抗匹配，也增强了对电磁波的协同损耗能力。然而这类吸波材料通常在基质中有着较高的填充量，这就导致材料有着较高的密度且易于团聚。此外，随着技术的进步，现代社会对材料的要求已经超出了单一的吸波功能。特别是在高温和易燃等极端环境中，材料还需要具备隔热和阻燃等额外性能，以确保其吸波能力和安全性。因此，开发具备多重性能的高效电磁波吸收材料成为了迫切的需求。

3、构建三维多孔结构可以有效的解决上述问题，丰富的孔结构在降低材料本身密度的同时还可以优化材料的阻抗匹配，以至大部分电磁波可以进入到材料内部并在孔道内被多次的反射和散射，直至完全吸收。此外，这种三维多孔结构赋予材料超轻、优异的机械性能和抗疲劳性，使其适用于对重量敏感的复杂航空航天应用。最近，以还原氧化石墨烯为主的具有三维多孔结构的气凝胶被广泛研究。还原氧化石墨烯有着大比表面积、优异电性能可以对电磁波产生较强的传导损耗。同时，还原氧化石墨烯上丰富的晶格缺陷和残留的含氧官能团可以作为极化中心，对电磁波产生极化响应。然而，碳组分的耐热性有限，且高热稳定性碳基吸波材料的研究不足，导致碳基吸波材料的应用范围受限。

4、中国发明专利公开号cn 114350159 a所公开的一种多功能吸波气凝胶及其制备方法，通过多层次的结构设计和多组分的精确复合，可以实现吸波、高强高弹、隔热和疏水性能兼顾的多功能，但是其反射损耗较弱；中国发明专利公开号cn 117209835 a所公开的一种多功能吸波气凝胶及其制备方法和应用，其制备的复合气凝胶具有良好的回弹性、疏水性能，其3d结构也有利于增加界面极化和多重散射，具有优良的电磁波耗散能力，但是其存在吸收频带窄，成本高，制备工艺复杂等问题。

5、因此，亟需一种同时具有轻质、弹性、隔热、阻燃、低成本、易量产的多功能碳基吸波气凝胶。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明目的在于提供一种各向异性多功能碳基吸波气凝胶及其制备方法和应用，本发明制备的气凝胶呈现各向异性结构，反射损耗强，有效吸收带宽，具有三维多孔结构和高磷氮含量，表现出优异的阻燃、隔热性能，制备工艺简单，成本低，适用于工业生产。

2、为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种各向异性多功能碳基吸波气凝胶的制备方法，包括以下制备步骤：

4、1)将氧化石墨烯溶液与氧化碳管混合得到混合溶液a；

5、2)将所述混合溶液a与聚磷腈乙醇溶液混合并加入去离子水经过超声后得到混合溶液b；

6、3)将所述混合溶液b经过定向冷冻、真空冷冻干燥得到gcp气凝胶；

7、4)将所述gcp气凝胶经过热处理得到各向异性多功能碳基吸波气凝胶(rcp)。

8、graphene oxide/oxidized carbon nanotubes/hexachlorocyclotriphosphazene简化为“gcp”；reduced graphene oxide/oxidizedcarbon nanotubes/hexachlorocyclotriphosphazene简化为“rcp”。

9、通过采用上述技术方案，本发明中氧化石墨烯和氧化碳纳米管含有大量羟基、环氧基、羧基和羰基官能团，能够在水溶液中良好分散。由于范德华力、π-π堆叠和氢键相互作用，氧化碳纳米管呈现出均匀的分散状态，且紧密附着在氧化石墨烯片上，避免了团聚现象的发生。热处理后，氧化石墨烯和氧化碳纳米管骨架被适当还原，提升了电子传输能力，进而提升了材料对电磁波的传导损耗。另外，丰富的晶格缺陷和残留的含氧官能团可作为极化中心，对电磁波产生极化响应。同时，聚磷腈转化为磷氧化合物，丰富了极性官能团，提高了材料的阻燃性能。

10、作为优选，所述步骤1)中氧化石墨烯溶液的浓度为8-12mg/ml。

11、作为优选，所述步骤2)中聚磷腈乙醇溶液的浓度为120-150mg/ml。

12、作为优选，所述步骤2)的混合溶液b中氧化石墨烯、氧化碳管、聚磷腈的质量比为10:2:1。

13、通过控制氧化石墨烯的浓度，气凝胶的孔径大小可以被有效调整，进而调节介电参数，通过调节氧化石墨烯的浓度，可以优化阻抗匹配，从而达到提升吸波性能的效果。

14、作为优选，所述步骤2)中混合时间为30-40min；超声时间为40-60min，超声功率为200w。

15、作为优选，所述步骤2)混合溶液b中氧化石墨烯的浓度为2-8mg/ml。

16、作为优选，所述步骤3)中真空冷冻干燥温度为-50℃，时间为3天，压力＜10pa。

17、作为优选，所述步骤4)中热处理方法为在ar氛围下，处理温度为400℃，处理时间为1h，升温速率为2℃/min，气速为100ml/min。

18、第二方面，本发明提供了一种各向异性多功能碳基吸波气凝胶，由以上所述的制备方法制备得到。

19、第三方面，本发明提供了上述各向异性多功能碳基吸波气凝胶吸波领域中的应用。

20、至少含有以下有益技术效果：

21、本发明制备的气凝胶呈现各向异性结构，平行于冷冻方向为蜂窝状多孔结构，垂直于冷冻方向为整齐层状结构。这种三维多孔结构不仅降低了材料的密度，还优化了阻抗匹配，使得大部分电磁波能够深入材料内部，在孔道内经历多次反射和散射，最终被完全吸收。平行于冷冻方向最大反射损耗为-61.5db，有效吸收带宽为6.6ghz；垂直于冷冻方向最大反射损耗为-29.4db，有效吸收带宽为8.96ghz。

22、本发明制备的气凝胶具有三维多孔结构和高磷氮含量，该气凝胶还表现出优异的阻燃、隔热性能，沿平行于冷冻方向热导率低至20.6mw m-1k-1，可在酒精灯下持续燃烧45min；沿垂直于冷冻方向热导率为26.2mw m-1k-1，可在酒精灯下持续燃烧31min。此外该还表现出了超轻(＜6mg cm-3)、出色的机械性能和抗疲劳性，非常适合对材料重量要求极高的航空航天应用。

23、本发明的制备工艺简单，成本低，适用于工业生产。

技术特征：

1.一种各向异性多功能碳基吸波气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中氧化石墨烯溶液的浓度为8-12mg/ml。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中聚磷腈乙醇溶液的浓度为120-150mg/ml。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)的混合溶液b中氧化石墨烯、氧化碳管、聚磷腈的质量比为10:2:1。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中混合时间为30-40min；超声时间为40-60min，超声功率为200w。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)混合溶液b中氧化石墨烯的浓度为2-8mg/ml。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中真空冷冻干燥温度为-50℃，时间为3天，压力＜10pa。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中热处理方法为在ar氛围下，处理温度为400℃，处理时间为1h，升温速率为2℃/min，气速为100ml/min。

9.一种各向异性多功能碳基吸波气凝胶，其特征在于，由权利要求1-3或权利要求5-8任一项所述的制备方法制备得到。

10.权利要求9所述各向异性多功能碳基吸波气凝胶吸波领域中的应用。

技术总结本发明提供了一种各向异性多功能碳基吸波气凝胶及其制备方法和应用，属于吸波材料技术领域。本发明所述的各向异性多功能碳基吸波气凝胶的制备步骤为：将氧化石墨烯溶液与氧化碳管混合得到混合溶液A；将所述混合溶液A与聚磷腈乙醇溶液混合并加入去离子水经过超声后得到混合溶液B；将所述混合溶液B经过定向冷冻、真空冷冻干燥得到GCP气凝胶；将所述GCP气凝胶经过热处理得到各向异性多功能碳基吸波气凝胶。本发明所制得的RCP气凝胶在2‑18GHz频段表现出优异的吸波性能，平行于冷冻方向最大反射损耗为‑61.5dB，有效吸收带宽为6.6GHz；垂直于冷冻方向最大反射损耗为‑29.4dB，有效吸收带宽为8.96GHz。技术研发人员：胡传刚,殷方明,王文壮,毛宝光,王子春受保护的技术使用者：北京化工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14