Fe填充碳纳米管的制备及电磁和微波吸收性能外文翻译资料

Fe填充碳纳米管的制备及电磁和微波吸收性能

作者：Dong-Lin Zhaolowast;, Xia Li, Zeng-Min Shen

北京化工大学化学资源工程国家重点实验室，北京100029

文章信息

文章历史：

2008年2月4日收到

以2008年3月2日修订版形式收到

2008年3月30日接受

2008年5月13日在线提供

关键词：

纳米结构

化学合成

扫描和透射电子

显微镜

X射线衍射

磁测量

摘要

碳纳米管（CNT）通过湿化学方法填充有Fe纳米颗粒。 已经研究了Fe填充的CNT的微波吸收，复介电常数和渗透性。 填充Fe的CNT的介电常数的实部（ε）和虚部（ε）小于CNT的介电常数。 虽然渗透率的实部（mu;rsquo;）和虚部（mu;rsquo;rsquo;）以及磁导率因子tgdelta;_mu; （mu;rsquo;rsquo;/ mu;rsquo;）比CNT的大。 Fe填充的CNT /环氧树脂复合材料在11.8-14.7GHz下实现了低于-10dB（90％吸收）的反射损耗，并且在13.2GHz下最小值为-31.71dB。 Fe填充的CNT /环氧树脂复合材料的微波增强吸收归因于介电损耗和磁损耗。 通过将Fe纳米颗粒填充到CNT中，CNT /环氧树脂复合材料的微波吸收峰移动到更高的频率。

1. 简介

雷达吸波材料（RAM）吸引了越来越多的兴趣，因为雷达吸波技术广泛用于商业和军事应用。碳纳米管（CNTs）由于其突出的物理和电学性质而具有实际和潜在的应用^[1,2]。充满铁磁金属的碳纳米管在高密度磁记录介质^[3]，微波吸收^[4-6]和生物医学^[7]等方面具有各向异性磁响应的潜在应用。金属包封物被CNT有效保护而不会氧化，从而显示出长期稳定性^[8]。现在已经开发出各种各样的金属填充CNT，其使用各种合成方法，包括毛细管作用，湿化学方法，电弧技术，催化化学气相沉积和有机金属化合物的热解等^[4-13]。主要优点的湿化学方法的特点在于其灵活性和实验控制水平，因此可以将多种材料引入到纳米管中。 Che等人^[4]研究了热处理原位合成的厚度为1.2mm的alpha;-Fe填充的CNT /环氧复合材料的微波吸收，其在2-18GHz实现了低于-10dB的反射损耗。朱等人^[5]和林等人^[6]根据在2-18和8-18 GHz处测量的复介电常数和磁导率，计算了原位合成的Fe填充CNT /烯烃复合材料的微波吸收。对于填充的CNT /烯烃复合材料，匹配厚度为3.5mm，最大反射损耗约为-22.73dB。对应于-10 dB以下反射损耗的带宽大于4.22 GHz ^[6]。但是当复合材料的厚度为2.5 mm时，低于-10 dB的带宽小于1 GHz ^[5]。尽管关于原位合成的Fe填充CNTs的微波吸收已经有一些研究^[4-6]，但用湿化学方法制备的Fe填充CNT的微波吸收研究很少。在本文中，我们通过湿化学方法和填充Fe的CNT /环氧树脂复合材料的微波吸收来研究Fe填充的CNT的生成，并且讨论了可能的微波吸收机理。

1. 实验

CNTs制备催化实验是在我们的实验室中，在1100-1200℃下采用浮动过渡苯分解法。碳纳米管与硝酸（68%）沸腾处理24小时，然后用蒸馏水洗涤数次，并在烘箱中以60℃干燥 24小时。酸化的碳纳米管与FeSO₄溶液（40 wt%）搅拌24小时，过滤，用蒸馏水洗涤，然后60℃干燥 10小时，然后将样品在氮气氛中以8℃/ min的速率从室温加热到100℃，并在此温度下保持1小时，然后以4℃/ min的速度升温至450℃。 然后将样品在450℃煅烧6小时。 煅烧后的样品然后在450℃下在H₂中加热6小时以还原金属氧化物。

采用透射电子显微镜（TEM，Hitachi H-800）和场发射扫描电子显微镜（SEM，FESEM，日立S-4700）观察CNTs，Fe填充CNTs，CNT /环氧树脂复合材料和Fe填充CNT /环氧复合材料的形貌和微观结构 。 用D / Max2500VB2 PC衍射装置进行X射线衍射（XRD）光谱。

使用HP8722ES网络分析仪，采用同轴线方法在2-18 GHz测量CNT /石蜡和Fe填充的CNT /石蜡复合物的复数介电常数和渗透性，与参考文献[14]中报道的方法一致。CNT和Fe填充CNT的含量分别为10和20wt％。 在2-18 GHz时，石蜡的介电常数ε和虚部ε分别为2.22-2.26和0-0.02

将环氧树脂溶于二甲苯和正丁醇溶剂中，环氧树脂的含量为50重量％。 将CNT，Fe填充的CNT和环氧树脂溶液充分混合，然后超声处理2小时。 聚酰胺被用作环氧固化的固化剂。 将混合物逐层涂布在铝板上，直到复合材料的厚度达到1.0mm。 通过在60℃的红外辐射下在空气条件下加热2小时来固化复合材料。 CNT和Fe填充CNT的含量分别为5和10wt％。 规格尺寸为180毫米长times;180毫米宽times;1.0毫米厚。 CNT /环氧树脂和Fe填充CNT /环氧树脂复合材料的微波吸收特性与文献[15]报道的方法一致。

3、结果与讨论

图1显示了CNT和Fe填充的CNT的TEM图像。 如图1所示，CNT的内径为20〜40nm，外径为40〜60nm，长度为5〜15mu;m。 CNT已经被充分地填充了Fe纳米颗粒。 图2显示了CNT和Fe填充的CNT的XRD光谱。 衍射峰将Fe填充的CNT识别为Fe和CNT的混合物。 在XRD图中没有观察到对应于Fe氧化物的明显峰。 图3显示了Fe填充CNTs的磁滞曲线。 对于Fe填充的CNT，饱和磁化强度Ms，剩余磁化强度Mr和矫顽力Hc分别为50.70 A m² kg^-1,316 A m² kg^-1和21.78 K A m^-1。

为了研究CNTs和Fe填充CNTs的微波吸收的内在原因，我们用同轴线法测量了CNT /石蜡和Fe填充的CNT /石蜡复合材料的复介电常数和渗透率。 如图4所示， Fe填充CNTs的ε和ε小于CNTs的ε和ε。 碳纳米管和铁纳米管的介电损耗因子（tgdelta;_ε =εrsquo;rsquo;/ εrsquo;）几乎相同，特别是在高频率下。 渗透率的实部（mu;rsquo;）和虚部（mu;rsquo;rsquo;）以及磁耗散因子tgdelta;_mu;（mu;rsquo;rsquo;/ mu;rsquo;）比CNT的大。 并且CNT的mu;rsquo;rsquo;和tgdelta;_mu;几乎为零。 因此，填充Fe的CNT的微波增强吸收归因于介电损耗和磁损耗，而 CNTs的微波吸收主要来自介电损耗而不是磁损耗。

图5显示了CNT /环氧树脂和Fe填充的CNT /环氧复合材料的横截面的SEM图像。 从图5可以看出，CNT和Fe填充的CNT被从环氧树脂基体中拉出，并且它们很好地分散在环氧基体中。

图6显示了CNT /环氧树脂和Fe填充CNT /环氧树脂复合材料的反射损耗的频率依赖性。 从图6可以看出，在10.1-13.1 GHz时，CNT /环氧复合材料的反射损耗低于-10 dB（90％吸收），在11.4 GHz时最小值为-22.89 dB。 对应于低于-10dB的反射损耗的带宽是3.0GHz。 对于填充Fe的CNT，相应的复合材料的反射损耗在11.8-14.7GHz处低于-10dB，并且在13.2GHz处最小值为-31.71dB。 对应于低于-10dB的反射损耗的带宽是2.9GHz。 通过将Fe纳米颗粒填充到CNT中，CNT /环氧复合材料的微波吸收峰移动到更高的频率。 与参考文献[5,6]结果相比较，我们这项研究工作中的铁填充碳纳米管/环氧树脂复合材料的厚度较小（匹配厚度= 1.0毫米），可以获得更好的微波吸收性能。

在填充碳纳米管的过程中，经过硝酸处理24小时后，碳纳米管几乎被打开并被切断，因此碳纳米管的微观结构发生了很大变化。与碳纳米管相比，纳米碳管中存在更多的缺陷和悬浮键。填充Fe纳米颗粒后，CNTs的重量增加了一倍。所以缺陷和悬浮键会引起多重散射和界面电极化，这是一个重要的吸收机制。这是由于在填充有Fe的CNT和环氧树脂基体之间的界面处具有多极电荷的微波辐射的相互作用。量子限制效应使Fe的性质发生很大变化。根据久博理论，由于量子限制效应，Fe填充CNTs中的能级不是连续的，而是分裂的。当能级处于微波能量的范围内时，电子吸收光子从低能级跃迁到更高能级。环氧树脂基体和CNT外表面之间有许多界面。与碳纳米管相比，铁纳米颗粒与碳纳米管内表面之间的界面更多。因此，界面多极有助于包含Fe填充的CNT的环氧树脂复合材料的吸收。

Stonier [16]解释了微波吸收体如何工作的原理。 微波首先通过阻抗为Z₀的自由空间，然后撞击在阻抗为Z₁的电介质或磁性电介质表面上，并发生波的局部反射。 反射系数（R）的大小由以下等式决定：

为了不反射，反射系数必须为零，这意味着Z₀ = Z₁。 这个条件是在满足以下等式时达到：

理想的吸收器因此将具有mu;₁等于ε₁并且尽可能大。不幸的是，在微波频率下，mu;₁通常不接近ε₁的大小。因此，必须使用特殊的材料和设计来解决这个问题。通过控制材料类型（介电或磁性）和厚度，损耗因子和阻抗以及内部光学设计，可以优化单个窄带频率，多个频率或宽频带的吸波材料性能频谱。从我们的研究工作来看，碳纳米管/环氧树脂复合材料的吸收峰频率可以通过填充纳米碳纳米管来调节。据观察，在图4中，填充Fe的CNT的磁损耗值比在2至18GHz的频率范围内的CNT的磁损耗值高得多。因此，Fe填充的CNT的微波增强吸收归因于两者电介质和磁损耗。 CNTs的微波吸收主要来自介电损耗而不是磁损耗。环氧树脂基复合材料中的CNTs和Fe填充的CNT被用作偶极子来吸收微波。在含有电磁损耗物质和偶极子的微波吸收材料中，偶极子作为电子偶可以在电磁场中产生感应电流。感应电流会导致损耗电流和能量耗散。这是微波衰减的主要机制。

4、结论

Fe填充的CNT将成为RAM的良好候选者。 Fe填充CNTs的mu;rsquo;，mu;rsquo;和tgdelta;_mu; 比CNTs的mu;rsquo;，mu;rsquo;和tgdelta;_mu;的大。 填充Fe的CNT /环氧复合材料的反射损耗在11.8-14.7GHz下低于-10dB，并且在13.2GHz下最小值为-31.71dB。 通过将Fe纳米颗粒填充到CNT中，CNT /环氧树脂的微波吸收峰弥补了较高的频率。 Fe填充的CNT /环氧树脂复合材料的微波增强吸收归因于介电损耗和磁性损耗。 界面多极有助于填充Fe的CNT /环氧树脂复合材料的强吸收。

承认

这项工作得到了中国自然科学基金的支持（批准号：50672004）。

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