|
河北工业大学殷福星教授团队电磁防护复合材料课题组研究人员以二氧化硅反蛋白石为模板，以酚醛树脂前驱体为碳源，乙酸锌为锌源，制备了一种超细氧化锌纳米粒子修饰三维有序介孔碳球的复合材料(ZnO/OMCS)。制备的ZnO/OMCS复合材料具有三维有序的阵列结构及良好的孔结构。当氧化锌负载量为30%时ZnO/OMCS复合材料展现出良好的电磁波吸收能力（在10.4 GHz时吸收强度为39.3 dB，厚度为2 mm），有效吸收带宽为9.1 GHz。复合材料优异的电磁波吸收性能得益于分散性良好的超细ZnO纳米粒子和三维有序的介孔碳球结构。此方法为开发轻质高效的碳基吸波材料开辟了一条独特的途径。相关研究成果以题为《Three-Dimensional Ordered Mesoporous Carbon Spheres Modified with Ultrafine Zinc Oxide Nanoparticles for Enhanced Microwave Absorption Properties》发表在国产学术期刊《纳微快报》（Nano-Micro Letters）上。 论文链接： https://link./article/10.1007/s40820-021-00601-x 
Ⅰ ZnO/OMCS复合材料的制备过程 图1为ZnO/OMCS的制备过程首先以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体晶体作为硬模板制备二氧化硅反蛋白石。然后以酚醛树脂为碳源制备三维有序介孔碳球，最后采用溶胶-凝胶法将ZnO纳米粒子与介孔碳球复合得到ZnO/OMCS复合材料。
图1. ZnO/OMCS复合材料制备流程图 Ⅱ ZnO/OMCS复合材料的纳微结构 从图2中可以看出OMCS具有三维有序阵列结构，复制了PMMA胶体晶体模板的阵列结构。从图2d-f中可以看出通过溶胶凝胶法将ZnO纳米粒子负载在OMCS上不会破坏OMCS的三维有序结构。
图2. (a) PMMA模板的SEM图；(b) 二氧化硅反蛋白石模板的SEM图；(c) 有序介孔碳球的SEM图；(d-f) 不同氧化锌纳米粒子含量的ZnO/OMCS复合材料SEM图。 Ⅲ ZnO/OMCS复合材料的电磁波吸收性能 从图3可以看出ZnO/OMCS复合材料具有良好的电磁波吸收特性，当氧化锌纳米粒子含量为30%时ZnO/OMCS复合材料最大反射损耗值达到-39.3 dB。并且可以通过改变复合材料中的ZnO纳米粒子的含量调节复合材料的吸收效能和有效吸收频宽。
图3. 不同ZnO含量的ZnO/OMCS复合材料的电磁反射损耗图。(a)和(b) ZnO/OMCS-20；(c)和(d) ZnO/OMCS-30；(e)和(f) ZnO/OMCS-40。 Ⅳ ZnO/OMCS复合材料电磁波损耗和吸收机理分析 ZnO/OMCS复合材料的微波吸收机理如图4所示。复合材料良好的电磁波吸收性能可归因于以下几点：1. 碳基的三维有序介孔碳球为实现阻抗匹配提供了丰富的固-气界面。2. 三维有序多孔结构可以提高微波的传导损耗、多次反射和散射损耗。3. 第一性原理计算结果表明，超细ZnO纳米颗粒的均匀分布有利于极化界面的形成，ZnO晶体中氧空位引起的缺陷偶极子促进了极化损耗。同时，ZnO纳米粒子在多孔结构中得到有效的分离和分布，有利于形成更致密的介质耦合网络，提高介电损耗能力。而且高负载量的纳米粒子增加了复合材料中活性位点数目，有利于散射损耗。为进一步验证该吸波复合材料对电磁波的吸收和抑制效果，将ZnO/OMCS-30涂覆在具有沟槽结构的金属板上，对相应结构的雷达散射截面（RCS）缩减效果进行了仿真研究（图5）。研究结果表明， ZnO/OMCS纳米复合材料具有良好的吸波性能，能有效抑制金属沟槽结构的强电磁散射。
图4. ZnO/OMCS电磁波损耗和吸收机理分析示意图。 
图5. 矩形金属板和含ZnO/OMCS涂层矩形金属板的RCS仿真结果。(a, b) 为金属板和ZnO/OMCS-30涂层金属板的模型; (c, d) 相应的模拟电流分布彩色图; (e)金属结构和ZnO/OMCS涂层金属结构的RCS值。
|
