河北工業(yè)大學(xué)殷福星教授團(tuán)隊(duì)電磁防護(hù)復(fù)合材料課題組研究人員以二氧化硅反蛋白石為模板，以酚醛樹脂前驅(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），有效吸收帶寬為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)。此方法為開發(fā)輕質(zhì)高效的碳基吸波材料開辟了一條獨(dú)特的途徑。相關(guān)研究成果以題為《Three-Dimensional Ordered Mesoporous Carbon Spheres Modified with Ultrafine Zinc Oxide Nanoparticles for Enhanced Microwave Absorption Properties》發(fā)表在國(guó)產(chǎn)學(xué)術(shù)期刊《納微快報(bào)》（Nano-Micro Letters）上。論文鏈接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-021-00601-x
Ⅰ ZnO/OMCS復(fù)合材料的制備過程
圖1為ZnO/OMCS的制備過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。然后以酚醛樹脂為碳源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)
從圖2中可以看出OMCS具有三維有序陣列結(jié)構(gòu)，復(fù)制了PMMA膠體晶體模板的陣列結(jié)構(gòu)。從圖2d-f中可以看出通過溶膠凝膠法將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) 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)和(b) ZnO/OMCS-20；(c)和(d) ZnO/OMCS-30；(e)和(f) ZnO/OMCS-40。
Ⅳ ZnO/OMCS復(fù)合材料電磁波損耗和吸收機(jī)理分析
ZnO/OMCS復(fù)合材料的微波吸收機(jī)理如圖4所示。復(fù)合材料良好的電磁波吸收性能可歸因于以下幾點(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)可以提高微波的傳導(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。而且高負(fù)載量的納米粒子增加了復(fù)合材料中活性位點(diǎn)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)相應(yīng)結(jié)構(gòu)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4. ZnO/OMCS電磁波損耗和吸收機(jī)理分析示意圖。
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)的模擬電流分布彩色圖; (e)金屬結(jié)構(gòu)和ZnO/OMCS涂層金屬結(jié)構(gòu)的RCS值。
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