摘要
新一代军用战机面临的全方位、超宽频雷达探测威胁和日益严重的电磁辐射污染使高性能电磁波吸收材料在军用和民用领域都面临着迫切需求。理想的吸波材料要求具有“宽、轻、薄、强”的性能特点，而传统的铁氧体等吸波材料存在吸波频带窄、密度大等性能缺陷。碳基纳米材料具有轻质、高介电损耗、易与其他材料复合等性能优势，尤其是可以通过微结构的调控可以实现对电磁参数，吸波性能和材料密度等关键性能指标的优化。有望达到服役环境对吸波材料的性能要求。因此，本文从碳基纳米复合材料微结构的设计与调控出发，采用水热合成、原位生长、冷冻铸造等方法，制备了具有不同微结构的碳基复合吸波材料。研究了微结构形式对电磁波吸收性能的影响规律，分析了吸波机理，并对其应用前景进行了探索。主要研究内容如下： 为了解决传统吸波材料吸收频带窄的问题，本文采用设计特殊微结构和引入多种损耗机制的研究思路，通过两步水热合成及保护气氛热处理制备了具有蝴蝶结状微结构的Co/CoO@C纳米复合吸波材料。研究了水热反应时间和热处理温度对微结构形貌的影响规律。考察了其在2-18GHz频段内的电磁参数和电磁波反射损耗（ReflectionLoss，RL）。结果表明，热处理温度的调节实现了对样品电磁参数的有效调控。600℃热处理得到的Co/CoO@C-600样品具有优异的宽频吸波性能，3mm厚度下有效吸收（RLlt;-10dB）频带宽度可达9.9GHz(8.1–18GHz)，最低反射损耗（RLmin）达到-33.6dB；6mm厚度下，有效吸收频带宽度进一步扩展到了13.6GHz(4.4–18GHz)，覆盖考察频段的85%，同时RLmin也进一步降低到了-45.0dB。优异的宽频带电磁波吸收能力有赖于蝴蝶结状微结构对电磁参数的调节作用和Co/CoO@C颗粒的磁性/介电协同损耗机制，也使这种蝴蝶结状Co/CoO@C纳米复合材料具有很高的实际应用潜力。 为了实现吸波材料轻质化的目标，本文采取将轻质生物质材料与分子级多孔结构的金属有机框架（metal-organic-frameworks，MOFs）复合的思路，在棉花纤维表面均匀生长了含钴元素的ZIF-67（zeoliticimidazolateframework-67）MOF颗粒。通过还原性气氛中的高温碳化同时实现了复合纤维的碳化和碳纳米管的原位催化生长，得到了具有微-纳分级结构CNT/Co/C空心复合纤维。自然状态下表观密度仅0.0198g/cm3。通过测试复合纤维的电磁参数计算了2-18GHz的电磁波反射损耗。2mm厚度下，有效吸收频带宽度达到了8.02GHz（9.98-18GHz）。薄厚度下的宽频吸波效果主要归功于分级结构改善了阻抗匹配特性以及介电/磁性异质成分造成的多种极化损耗机制。这种将天然生物质衍生的碳材料与MOFs复合的方法也为超轻质宽频吸波材料的开发提供了一种新策略。 为了探索低维纳米材料宏观组装体的结构形式对吸波性能的影响，同时开展吸波材料多功能一体化研究，本文以高导电二维Ti3C2TxMXenes纳米片为材料基元，采用定向冷冻铸造法制备了轻质Ti3C2Tx/明胶定向结构复合气凝胶（M@G）。通过引入明胶作为粘结剂解决了Ti3C2Tx纳米片层间范德华力弱造成的气凝胶力学强度差的问题。Ti3C2Tx纳米片的面内/面外本征物理特性差异及定向排布结构赋予了复合气凝胶各向异性的力学、导热和电磁吸波性能。复合气凝胶在轴向（冷冻铸造过程冰晶生长方向）表现出高压缩强度和负泊松比，而在径向（垂直于冰晶生长方向）则具有高弹性和接近零泊松比；M@G-45（Ti3C2Tx含量为45wt%）复合气凝胶轴/径向热导率差异达到14.75倍，径向最低热导率达到0.008W/m·K，具有优异的隔热性能。吸波性能方面，M@G-45复合气凝胶径向在4.08GHz处RLmin达到-57.3dB，但有效吸收频带宽度仅0.9GHz，而轴向RLmin峰值为-59.5dB移动到了14.04GHz，有效吸收频带宽度也显著扩展到了6.24GHz，宽频吸波性能得到明显改善。这种通过调控二维纳米材料组装形式实现吸波性能调节的方法，为轻质多功能吸波材料的制备提供了借鉴。
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