中國(guó)粉體網(wǎng)訊  電子設(shè)備和通信技術(shù)的飛速發(fā)展在給人們的生活帶來(lái)極大便利的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的電磁輻射污染，因此電磁波吸波材料近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注。開(kāi)發(fā)質(zhì)量輕、厚度薄、吸收性良好的新型電磁波吸波材料具有重要的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在眾多吸波材料中，三維多孔碳材料具孔徑可調(diào)、化學(xué)性能穩(wěn)定性，易于與其他功能化納米材料復(fù)合等特性使其在開(kāi)發(fā)輕質(zhì)高效電磁波吸收材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

Three-Dimensional Ordered Mesoporous Carbon Spheres Modified with Ultrafine Zinc Oxide Nanoparticles for Enhanced Microwave Absorption Properties（超細(xì)氧化鋅納米粒子修飾的三維有序介孔碳球增強(qiáng)微波吸收性能）

本文亮點(diǎn)

1. 制備的超細(xì)氧化鋅納米粒子修飾的三維有序介孔碳球復(fù)合材料具有良好的電磁波吸收能力。

2. 納米氧化鋅/碳復(fù)合材料的電磁波吸收性能可以通過(guò)改變納米氧化鋅的含量來(lái)調(diào)節(jié)。

3. 通過(guò)對(duì)復(fù)雜溝槽結(jié)構(gòu)的雷達(dá)散射截面進(jìn)行電磁模擬，證明了該碳基納米復(fù)合材料的良好的電磁波吸收性能。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

河北工業(yè)大學(xué)袁野教授等以二氧化硅反蛋白石為模板，以酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體為碳源，乙酸鋅為鋅源，制備了一種超細(xì)氧化鋅納米粒子修飾三維有序介孔碳球的復(fù)合材料(ZnO/OMCS)。制備的ZnO/OMCS復(fù)合材料具有三維有序的陣列結(jié)構(gòu)及良好的孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)氧化鋅負(fù)載量為30%時(shí)ZnO/OMCS復(fù)合材料展現(xiàn)出良好的電磁波吸收能力(在10.4 GHz時(shí)吸收強(qiáng)度為39.3 dB，厚度為2 mm)，有效吸收帶寬達(dá)到9.1 GHz。復(fù)合材料優(yōu)異的電磁波吸收性能得益于分散性良好的超細(xì)ZnO納米粒子和三維有序的介孔碳球結(jié)構(gòu)。此方法為開(kāi)發(fā)輕質(zhì)高效的碳基吸波材料開(kāi)辟了一條獨(dú)特的途徑。

圖文導(dǎo)讀

I ZnO/OMCS復(fù)合材料的制備過(guò)程

圖1為ZnO/OMCS的制備過(guò)程。首先以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)膠體晶體作為硬模板制備二氧化硅反蛋白石模板。然后以此為二次模板，以酚醛樹(shù)脂為碳源，以兩親性三嵌段聚醚F127為軟模板制備三維有序介孔碳球，最后采用溶膠-凝膠法將ZnO納米粒子與介孔碳球復(fù)合得到ZnO/OMCS復(fù)合材料。

圖1. ZnO/OMCS復(fù)合材料制備流程圖

II ZnO/OMCS復(fù)合材料的納微結(jié)構(gòu)

圖2為模板和復(fù)合材料的SEM圖。從圖2c中可以看出OMCS具有三維有序陣列結(jié)構(gòu)，很好的復(fù)制了PMMA膠體晶體模板的蛋白石結(jié)構(gòu)(圖2a)。從圖2d-f中可以看出通過(guò)溶膠凝膠法將ZnO納米粒子負(fù)載在OMCS上不會(huì)破壞OMCS的三維有序結(jié)構(gòu)。

圖2. (a) PMMA模板的SEM圖；(b) 二氧化硅反蛋白石模板的SEM圖；(c) 三維有序介孔碳球的SEM圖；(d-f) 不同氧化鋅納米粒子含量的ZnO/OMCS復(fù)合材料SEM圖。

III ZnO/OMCS復(fù)合材料的密度泛函計(jì)算

通過(guò)第一性原理計(jì)算研究了ZnO/OMCS的結(jié)構(gòu)。計(jì)算出的電子密度差圖如圖3所示。結(jié)果表明，ZnO和C的電荷密度不同，并且ZnO對(duì)C表面的電荷分布有影響，少量電子從C原子轉(zhuǎn)移到ZnO中的O原子。這種ZnO/C界面的電子遷移在電磁場(chǎng)作用下會(huì)更加顯著，有效提升界面極化等對(duì)電磁波能量的損耗。

圖3. ZnO/ OMCS的仿真結(jié)果。(a) 松弛后的石墨/ ZnO結(jié)構(gòu)的俯視圖；(b) 電荷密度差的側(cè)視圖；沿(011)平面的(c) 電荷密度差和(d) 電子局部化的剖視圖。(e) C/ ZnO復(fù)合結(jié)構(gòu)，(f) ZnO雜化，(g) 純ZnO分子的DOS計(jì)算結(jié)果。

IV ZnO/OMCS復(fù)合材料的電磁波吸收性能

從圖3可以看出ZnO/OMCS復(fù)合材料具有良好的電磁波吸收特性，當(dāng)氧化鋅納米粒子含量為30%時(shí)ZnO/OMCS復(fù)合材料最大反射損耗值達(dá)到-39.3 dB。并且可以通過(guò)改變復(fù)合材料中的ZnO納米粒子的含量調(diào)節(jié)復(fù)合材料的吸收效能和有效吸收頻寬。

圖3. 不同ZnO含量的ZnO/OMCS復(fù)合材料的電磁反射損耗圖。(a, b) ZnO/OMCS-20；(c, d) ZnO/OMCS-30；(e, f) ZnO/OMCS-40。

V ZnO/OMCS復(fù)合材料電磁波損耗和吸收機(jī)理分析

ZnO/OMCS復(fù)合材料的電磁波吸收機(jī)理可歸因于以下幾點(diǎn)：1. 碳基的三維有序介孔碳球?yàn)閷?shí)現(xiàn)阻抗匹配提供了豐富的固-氣界面。2. 三維有序多孔結(jié)構(gòu)可以提高電磁波的傳導(dǎo)損耗、多次反射和散射損耗。3. 第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，超細(xì)ZnO納米顆粒的均勻分布有利于極化界面的形成，ZnO晶體中氧空位引起的缺陷偶極子促進(jìn)了極化損耗。同時(shí)，ZnO納米粒子在多孔結(jié)構(gòu)中得到有效的分離和分布，有利于形成更致密的介質(zhì)耦合網(wǎng)絡(luò)，提高介電損耗能力。而且，高載量的納米粒子增加了復(fù)合材料中的活性中心數(shù)目，有利于散射損耗。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該吸波復(fù)合材料對(duì)電磁波的吸收和抑制效果，將ZnO/OMCS-30涂覆在具有溝槽結(jié)構(gòu)的金屬板上，對(duì)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的雷達(dá)散射截面(RCS)縮減效果進(jìn)行了仿真研究(圖5)。研究結(jié)果表明，ZnO/OMCS納米復(fù)合材料具有良好的吸波性能，能有效抑制金屬溝槽結(jié)構(gòu)的強(qiáng)電磁散射。

圖5. 矩形金屬板和含ZnO/OMCS涂層矩形金屬板的RCS仿真結(jié)果。(a, b) 為金屬板和ZnO/OMCS-30涂層金屬板的模型；(c, d) 相應(yīng)的模擬電流分布云圖；(e)金屬結(jié)構(gòu)和ZnO/OMCS涂層金屬結(jié)構(gòu)的RCS值。

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）

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